Un recolector de agua del tamaño de un horno de microondas extrae directamente del aire toda el agua que se necesita, incluso en el desierto caluroso y seco, according to researchers.
En un artículo publicado en ACS Central Science, los investigadores describen la versión más reciente de su recolector de agua, que puede extraer más de cinco tazas de agua (1,3 litros) de aire con baja humedad al día por cada kilogramo (2,2 libras) de material absorbente de agua, una sustancia muy porosa llamada estructura metal-orgánica, o MOF. Esa cantidad supera el mínimo necesario para sobrevivir.
Durante las pruebas de campo realizadas a lo largo de tres días en el árido desierto de Mojave, en California, el recolector produjo de forma fiable 0,7 litros por kilogramo (2,2 libras) de absorbente al día, es decir, casi tres tazas de H2O limpia y pura. Eso es 10 veces mejor que la versión anterior del recolector. El recolector funciona en ciclos las 24 horas, los 7 días de la semana, alimentado por paneles solares y una batería.
SIN AGUA, NO HAY PROBLEMA
Incluso en el día más seco del desierto, con una humedad relativa extremadamente baja del 7 % y temperaturas superiores a 80 grados Fahrenheit, el recolector produjo seis onzas (0,2 litros) de agua por kilogramo de MOF al día.
«Es bien sabido que, para condensar agua del aire con baja humedad (menos del 40 por ciento de humedad relativa), es necesario enfriar el aire por debajo del punto de congelación, a cero grados Celsius, lo cual resulta poco práctico. Con nuestro recolector lo estamos logrando con humedad muy baja y sin ese enfriamiento; no existe ningún otro material capaz de hacerlo», afirma Omar Yaghi, profesor de Química y codirector del Instituto Kavli de Nanociencias Energéticas de la Universidad de California en Berkeley.
«No se trata de un deshumidificador, que funciona con alta humedad relativa. Algunas personas dicen que 0,7 litros no es mucha agua. Pero sí lo es, si no se tiene agua».
La startup de Yaghi, Water Harvester Inc., está actualmente en fase de pruebas y pronto comercializará un dispositivo del tamaño de un horno de microondas capaz de suministrar entre 7 y 10 litros de agua al día: suficiente agua para beber y cocinar para dos o tres adultos al día, según las recomendaciones de la Academia Nacional de Ciencias, que establecen que los hombres deben consumir 3,7 litros y las mujeres 2,7 litros de líquido al día.
Una versión aún más grande del recolector, del tamaño de un refrigerador pequeño, proporcionará entre 200 y 250 litros de agua al día, suficiente para que un hogar beba, cocine y se duche. Y, dentro de un par de años, la empresa espera disponer de un recolector a escala de aldea que produzca 20 000 litros al día. Todos funcionarían con energía de paneles solares y una batería, o conectados a la red eléctrica.
«Estamos produciendo agua ultrapura, que potencialmente puede estar ampliamente disponible sin conexión a la red de agua», afirma Yaghi, catedrático de la Facultad de Química. «Esta movilidad del agua no solo es fundamental para quienes sufren estrés hídrico, sino que también hace posible el objetivo más amplio: que el agua sea un derecho humano».
LOS MOF LO HACEN POSIBLE
El ingrediente secreto del recolector es un tipo de MOF que Yaghi y sus colegas inventaron, que absorbe agua del aire de forma fácil y rápida y que la libera con la misma facilidad para que pueda recogerse. Los MOF, en cuyo desarrollo Yaghi trabaja desde mediados de los años noventa, son tan porosos que un gramo tiene una superficie equivalente a la de un campo de fútbol. Otros tipos de MOF capturan dióxido de carbono de los gases de combustión, catalizan reacciones químicas o separan petroquímicos en plantas de procesamiento.
Los investigadores desarrollaron su primer MOF absorbente de agua, denominado MOF-801, en 2014. Las moléculas de agua presentes en el aire ambiente se adhieren a la superficie interna, en un proceso llamado adsorción, y aumentan la humedad dentro del MOF hasta un punto en el que el agua se condensa incluso a temperatura ambiente, del mismo modo que el agua se condensa sobre superficies más frías cuando la humedad es alta. Cuando el MOF se calienta ligeramente, el agua vuelve a salir y puede condensarse y recogerse.
El primer recolector que empleó MOF-801 se presentó en 2017 y era totalmente pasivo y funcionaba con energía solar: permanecía absorbiendo agua por la noche y la liberaba al día siguiente con el calor del sol, y el vapor de agua se condensaba en la superficie interna del recipiente.
En 2018, el equipo de Yaghi había convertido ese dispositivo de prueba de concepto en un recolector de segunda generación que recogió 0,07 litros (algo más de 2 onzas) de agua por día y por kilogramo de MOF durante un ciclo de día y noche en el desierto de Arizona, utilizando de nuevo el calor del sol para expulsar el agua del MOF.
«Aunque la cantidad de agua fue baja, el experimento demostró cómo el agua del aire del desierto puede concentrarse en los poros del MOF, extraerse mediante un calentamiento suave con luz solar y, después, condensarse en condiciones ambientales», afirma Yaghi.
EL NUEVO MODELO
El modelo de 2019 ya no es pasivo: utiliza paneles solares para alimentar ventiladores que hacen circular el aire ambiente sobre el MOF contenido en un cartucho, de modo que una mayor cantidad de MOF queda expuesta al aire. El cartucho lleno de MOF, de unas 10 pulgadas cuadradas y 5 pulgadas de grosor, está atravesado por dos juegos de canales: uno para absorber agua y otro para expulsarla hacia el condensador, lo que permite un ciclo continuo a lo largo del día. Los paneles solares, conectados a baterías para que el recolector pueda funcionar por la noche, también alimentan pequeños calentadores que expulsan el agua del MOF.
La productividad de este nuevo recolector de agua es 10 veces superior a la del dispositivo anterior y 100 veces mayor que la del primitivo dispositivo de prueba de concepto. Los investigadores no han detectado rastros de metales ni de compuestos orgánicos en el agua.
La mejora de la productividad y la reducción del tiempo de ciclo del nuevo dispositivo se deben a un MOF de nuevo diseño, MOF-303, basado en aluminio, a diferencia del MOF-801, que se basa en circonio. El MOF-303 puede retener un 30 % más de agua que el MOF-801 y puede absorber y liberar agua en tan solo 20 minutos en condiciones ideales, algo que la startup de Yaghi está cerca de lograr.
«El MOF-303 hace dos cosas muy bien: retiene mucha más agua que el MOF de circonio que presentamos anteriormente, y lo hace mucho más rápido», afirma Yaghi. «Esto permite que el agua entre y salga con mucha más rapidez; se puede bombear aire y recoger el agua a lo largo de muchos ciclos al día».
Yaghi recibe consultas sobre su recolector casi a diario de personas, agencias y países de todo el mundo, muchos de ellos de regiones áridas de Oriente Medio, África, Sudamérica, México, Australia y la cuenca mediterránea. Los países desérticos, crónicamente escasos de agua, valoran el potencial del recolector, afirma Yaghi, que procede de otro país árido, Jordania.
«La atmósfera contiene casi tanta agua en un momento dado como todos los ríos y lagos», afirma. «Recolectar esta agua podría ayudar a convertir los desiertos en oasis».
Otros investigadores de UC Berkeley y de la Universidad del Sur de Alabama contribuyeron al trabajo. La mayor parte de la financiación para las mejoras del recolector procede de la Ciudad del Rey Abdulaziz para la Ciencia y la Tecnología de Arabia Saudí, como parte de una colaboración conjunta KACST–UC Berkeley denominada Centro de Excelencia para Nanomateriales y Aplicaciones de Energía Limpia.
Fuente: UC Berkeley
