Uno de los indicadores más fundamentales de la calidad de vida es el acceso al agua limpia. Hoy, dos tercios de la humanidad sufren estrés hídrico en algún momento del año y una de cada diez personas no tiene acceso a agua limpia. A medida que crezcan las poblaciones, también aumentará la demanda de agua potable y para la agricultura. Al mismo tiempo, el cambio climático afectará a los recursos disponibles.
Nuestra capacidad para consumir los recursos de la Tierra debe ser superada por nuestro potencial para producir respuestas innovadoras. La ciencia es una clave para la esperanza y para resolver grandes desafíos, ya sea en la purificación del agua o en otros ámbitos como la generación y el almacenamiento de energía o la atención sanitaria; además, tiene el potencial de satisfacer necesidades humanas básicas y propiciar un crecimiento económico revolucionario y un desarrollo sostenible.
Hacer frente a estos desafíos exige avances científicos en una amplia gama de áreas de investigación, con un requisito común: diseñar y desarrollar nuevos materiales que cumplan requisitos de rendimiento cada vez más complejos. Nuestra capacidad para manipular materiales ha caracterizado las distintas eras de la civilización: la piedra, el bronce, el hierro y el silicio. Los métodos históricos de ensayo y error no nos preparan para abordar los complejos polímeros, proteínas y aleaciones nanoestructuradas con los que trabajamos hoy. Afortunadamente, en los últimos años se han logrado avances importantes en la capacidad de diseñar y desarrollar los materiales avanzados que se necesitan para resolver grandes desafíos tecnológicos.
La creciente complejidad de los materiales exige herramientas sofisticadas tanto para su caracterización como para su modelización, que sientan las bases de la comprensión necesaria para diseñar nuevos materiales teniendo en cuenta propiedades específicas. Países de todo el mundo han invertido en instalaciones de rayos X, como la NSLS-II del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Estados Unidos, y MAX-IV en Suecia, para estudiar las propiedades y funciones de los materiales con resolución nanométrica.
Fuentes de neutrones como la Fuente de Neutrones por Espalación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Fuente Europea de Espalación que se está construyendo justo al lado de MAX-IV utilizan neutrones para explorar las propiedades fundamentales de los materiales avanzados. Las supercomputadoras combinan la información sobre la estructura y la dinámica obtenida mediante experimentos con los modelos necesarios para orientar el diseño y la síntesis de nuevos materiales. En todo el mundo se impulsa la ampliación de la capacidad de procesamiento hasta la escala exa para mejorar aún más las capacidades de modelización y simulación, así como el análisis de datos.
Uno de los desafíos para los científicos es cómo utilizar estas nuevas herramientas para llevar a cabo con mayor rapidez la investigación traslacional necesaria para resolver problemas críticos, como la necesidad de agua potable.
En muchas regiones del mundo, el agua potable es un recurso escaso y, a cada minuto de cada día, un recién nacido muere en algún lugar del mundo a causa de una infección provocada por la falta de agua limpia y por un entorno insalubre. Investigadores de todo el mundo están explorando diversos métodos para desalinizar el agua de mar y obtener agua potable, como la destilación al vacío, multietapa, de efecto múltiple y por compresión de vapor, así como la ósmosis inversa (OI).
La OI se utiliza habitualmente en una parte del proceso de desalinización y ha reducido considerablemente los elevados costes energéticos y de capital asociados a otros procesos de desalinización. La clave del proceso de OI es la membrana, una película fina que separa el agua con mayor concentración de sal del agua con menor concentración. La membrana debe soportar grandes diferencias de presión entre sus dos lados, permitir el paso rápido del agua e impedir el de la sal, además de resistir la incrustación o la obstrucción por las sales.
Una limitación importante que afecta a estos distintos métodos de desalinización es que en muchos lugares del mundo no se permite eliminar los residuos líquidos y se exige que las sales residuales sean sólidas para su eliminación. Esto requiere una etapa adicional en el proceso de desalinización, lo que aumenta el coste y la complejidad totales. La complejidad general del proceso puede reducirse mejorando la tecnología de membranas utilizada para la OI o el propio proceso de OI. Un ejemplo es el proceso de OI en cascada que está desarrollando Battelle, que combina varias etapas de OI con métodos novedosos para aprovechar las aguas residuales intermedias, reducir significativamente las presiones de funcionamiento y el consumo de energía, y lograr tasas de recuperación entre dos y tres veces superiores a las de los procesos convencionales de OI.
La comunidad científica mundial tiene la responsabilidad de proporcionar al mundo agua limpia, asequible y disponible para mantener un crecimiento positivo. Está claro que será necesario desarrollar continuamente materiales avanzados para lograrlo. Las inversiones públicas en investigación, universidades y laboratorios nacionales están facilitando una nueva era de diseño de materiales, gracias a la comprensión fundamental de cómo la estructura y la dinámica de los materiales determinan las propiedades que los hacen útiles. Esto permitirá a empresas y ONG implementar tecnologías como la OI en cascada para responder a las necesidades más apremiantes de la humanidad.
