Ingenieros del MIT y de China pretenden convertir el agua de mar en agua potable con un dispositivo inspirado en el océano.
El sistema de desalinización podría producir agua dulce más barata que el agua del grifo
Los investigadores creen que podría comercializarse en un plazo de 5 a 10 años y que podría hacer posible el suministro de agua dulce a personas que viven en regiones áridas y semiáridas.
Ingenieros del MIT y de China pretenden convertir el agua de mar en agua potable con un dispositivo totalmente pasivo, inspirado en el océano y alimentado por el sol.
En un artículo publicado hoy en la revista Joule, el equipo describe el diseño de un nuevo sistema solar de desalinización que capta agua salada y la calienta con luz solar natural.
La configuración del dispositivo permite que el agua circule en remolinos, de forma similar a la circulación “termohalina” del océano, mucho más grande. Esta circulación, combinada con el calor del sol, hace que el agua se evapore y deja la sal atrás. El vapor de agua resultante puede condensarse y recogerse como agua pura y potable. Mientras tanto, la sal sobrante sigue circulando a través del dispositivo y saliendo de él, en lugar de acumularse y obstruir el sistema.
El nuevo sistema tiene una tasa de producción de agua más alta y una tasa de rechazo de sal más alta que todos los demás conceptos pasivos de desalinización solar que se están probando actualmente.
Los investigadores estiman que, si el sistema se escala al tamaño de una maleta pequeña, podría producir entre 4 y 6 litros de agua potable por hora y durar varios años antes de requerir piezas de repuesto. Con esta escala y este rendimiento, el sistema podría producir agua potable a un ritmo y un precio más baratos que el agua del grifo.
“Por primera vez, es posible que el agua producida con luz solar sea incluso más barata que el agua del grifo”, afirma Lenan Zhang, científica investigadora del Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT.
El equipo prevé que un dispositivo escalado podría producir de forma pasiva suficiente agua potable para cubrir las necesidades diarias de una pequeña familia. El sistema también podría abastecer a comunidades costeras aisladas de la red, donde el agua de mar es fácilmente accesible.
Entre los coautores del estudio de Zhang figuran el estudiante de posgrado del MIT Yang Zhong y Evelyn Wang, catedrática Ford de Ingeniería, junto con Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang y Zhenyuan Xu, de la Universidad Jiao Tong de Shanghái, en China.
Una convección potente
El nuevo sistema del equipo mejora su diseño anterior — un concepto similar de múltiples capas, denominadas etapas. Cada etapa contenía un evaporador y un condensador que utilizaban el calor del sol para separar pasivamente la sal del agua entrante. Ese diseño, que el equipo probó en el techo de un edificio del MIT, convertía de manera eficiente la energía solar en evaporación de agua, que luego se condensaba en agua potable. Pero la sal sobrante se acumulaba rápidamente en forma de cristales que obstruían el sistema al cabo de unos pocos días. En un entorno real, un usuario tendría que sustituir las etapas con frecuencia, lo que aumentaría considerablemente el coste general del sistema.
En un esfuerzo posterior, ellos idearon una solución con una configuración en capas similar, esta vez con una función adicional que ayudaba a hacer circular el agua entrante y cualquier sal sobrante. Si bien este diseño evitaba que la sal se asentara y se acumulara en el dispositivo, desalinizaba el agua a un ritmo relativamente bajo.
En la última iteración, el equipo cree haber alcanzado un diseño que logra tanto una alta tasa de producción de agua como un alto rechazo de sal, lo que significa que el sistema puede producir agua potable de forma rápida y fiable durante un periodo prolongado. La clave de su nuevo diseño es una combinación de sus dos conceptos anteriores: un sistema multietapa de evaporadores y condensadores, que además está configurado para potenciar la circulación del agua —y de la sal— dentro de cada etapa.
“Presentamos ahora una convección aún más potente, similar a la que normalmente observamos en el océano, a escalas de kilómetros”, afirma Xu.
Las pequeñas circulaciones generadas en el nuevo sistema del equipo son similares a la convección “termohalina” del océano, un fenómeno que impulsa el movimiento del agua por todo el planeta, en función de las diferencias de temperatura del mar (“termo”) y de salinidad (“halina”).
“Cuando el agua de mar se expone al aire, la luz solar hace que el agua se evapore. Una vez que el agua abandona la superficie, queda la sal. Y cuanto mayor es la concentración de sal, más denso es el líquido, y esta agua más pesada tiende a fluir hacia abajo”, explica Zhang. “Al imitar este fenómeno de escala kilométrica en una caja pequeña, podemos aprovechar esta característica para rechazar la sal”.
Dando el paso
El núcleo del nuevo diseño del equipo es una sola etapa con forma de caja fina, cubierta por un material oscuro que absorbe eficazmente el calor del sol. En su interior, la caja está dividida en una sección superior y otra inferior. El agua puede fluir por la mitad superior, donde el techo está recubierto por una capa evaporadora que utiliza el calor del sol para calentar y evaporar el agua que esté en contacto directo. El vapor de agua se canaliza después hacia la mitad inferior de la caja, donde una capa condensadora enfría el vapor con aire hasta convertirlo en un líquido potable sin sal. Los investigadores colocaron toda la caja inclinada dentro de un recipiente más grande y vacío, conectaron un tubo desde la mitad superior de la caja, que atraviesa la parte inferior del recipiente, y dejaron flotar el recipiente en agua salada.
En esta configuración, el agua puede subir de forma natural por el tubo y entrar en la caja, donde la inclinación de la caja, combinada con la energía térmica del sol, hace que el agua forme remolinos mientras fluye. Los pequeños remolinos ayudan a que el agua entre en contacto con la capa evaporadora superior, al tiempo que mantienen la sal en circulación, en lugar de asentarse y obstruir el sistema.
El equipo construyó varios prototipos, con una, tres y 10 etapas, y probó su rendimiento en agua con distintos niveles de salinidad, incluida el agua de mar natural y agua siete veces más salada.
A partir de estas pruebas, los investigadores calcularon que, si cada etapa se escalara a un metro cuadrado, podría producir hasta 5 litros de agua potable por hora, y que el sistema podría desalinizar agua sin acumular sal durante varios años. Dada esta vida útil prolongada y el hecho de que el sistema es totalmente pasivo, sin necesidad de electricidad para funcionar, el equipo estima que el coste total de operar el sistema sería más bajo que el coste de producir agua del grifo en Estados Unidos.
“Demostramos que este dispositivo es capaz de lograr una larga vida útil”, afirma Zhong. “Eso significa que, por primera vez, es posible que el agua potable producida con luz solar sea más barata que el agua del grifo. Esto abre la posibilidad de que la desalinización solar aborde problemas del mundo real”.
“Este es un enfoque muy innovador que mitiga eficazmente los principales desafíos en el campo de la desalinización”, afirma Guihua Yu, que desarrolla sistemas sostenibles de almacenamiento de agua y energía en la Universidad de Texas en Austin, y que no participó en la investigación. “El diseño resulta especialmente beneficioso para las regiones que luchan con aguas de alta salinidad. Su diseño modular lo hace muy adecuado para la producción de agua en los hogares, lo que permite escalabilidad y adaptabilidad para satisfacer las necesidades individuales”.
La investigación en la Universidad Jiao Tong de Shanghái contó con el respaldo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.
