Agua extraída del aire en el desierto

Con la escasez de agua como un problema creciente en todo el mundo, investigadores de la Universidad de California en Berkeley están cerca de producir una cosechadora de agua del tamaño de un microondas que le permitirá extraer toda el agua que necesita directamente del aire, incluso en el desierto seco y caliente.

En un artículo que apareció en ACS Central Science, una revista de la American Chemical Society, Omar Yaghi de UC Berkeley y sus colegas describen la última versión de su cosechadora de agua, que puede extraer más de cinco tazas de agua (1.3 litros) de aire de baja humedad por día por cada kilogramo de material absorbente de agua, una sustancia muy porosa llamada estructura organometálica o MOF.

Eso es más que el mínimo requerido para mantenerse con vida.

Durante las pruebas de campo durante tres días en el árido desierto de Mojave de California, la cosechadora produjo de manera confiable 0.7 litros por kilogramo de absorbente por día, casi tres tazas de H₂O pura y limpia.

Eso es 10 veces mejor que la versión anterior de la cosechadora.

La cosechadora funciona las 24 horas, los 7 días de la semana, con paneles solares y una batería.

Incluso en el día más seco del desierto, con una humedad relativa extremadamente baja del 7% y temperaturas de más de 27 grados centígrados, la cosechadora produjo 0.2 litros de agua por kilogramo de MOF por día.

“Es bien sabido que para condensar el agua del aire a una humedad baja (menos del 40 por ciento de humedad relativa) es necesario enfriar el aire a temperaturas bajo cero grados Celsius, lo cual no es práctico.

Con nuestra cosechadora , estamos haciendo esto a muy baja humedad sin tal enfriamiento; no hay otro material que pueda hacer eso “, dijo Yaghi, profesor de química de UC Berkeley y codirector del Instituto Kavli Energy NanoSciences.

“Esto no es como un deshumidificador, que funciona a una humedad relativa alta.

Algunas personas dicen que 0,7 litros no es mucha agua. Pero es mucha agua, si no tienes agua”.

La startup de Yaghi, Water Harvester Inc., ahora está probando y pronto comercializará un dispositivo del tamaño de un horno de microondas que puede suministrar de 7 a 10 litros de agua por día: suficiente agua potable y de cocción para dos o tres adultos por día, según recomendaciones de la Academia Nacional de Ciencias de que los hombres deben consumir 3.7 litros y las mujeres 2.7 litros de líquido por día.

Una versión aún más grande de la cosechadora, una del tamaño de un refrigerador pequeño, proporcionará de 200 a 250 litros de agua por día, suficiente para que un hogar pueda beber, cocinar y ducharse.

Y en un par de años, la compañía espera tener una cosechadora a escala de aldea que produzca 20,000 litros por día.

Todo funcionaría con energía de paneles solares y una batería o fuera de la red eléctrica.

“Estamos haciendo agua ultra pura, que potencialmente puede estar ampliamente disponible sin conexión a la red de agua”, dijo Yaghi, presidente de James y Neeltje Tretter en la Facultad de Química.

“Esta movilidad del agua no solo es crítica para las personas que sufren de estrés hídrico, sino que también hace posible el objetivo más amplio: que el agua sea un derecho humano”.

El ingrediente secreto de la cosechadora es un tipo de MOF inventado por Yaghi y sus colegas de UC Berkeley que recoge el agua del aire de manera fácil y rápida y la irriga con la misma facilidad para que se pueda recoger el agua.

Los MOF, que Yaghi ha estado desarrollando desde mediados de la década de 1990, son tan porosos que un gramo tiene una superficie equivalente a 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 presentaron su primer MOF que absorbe agua, llamado MOF-801, en 2014.

Las moléculas de agua en el aire ambiente se adhieren a la superficie interna, un proceso llamado adsorción, y aumentan la humedad dentro del MOF hasta un punto donde el el agua se condensa incluso a temperatura ambiente, al igual que el agua se condensa en superficies más frías cuando la humedad es alta.

Cuando el MOF se calienta ligeramente, el agua vuelve a salir y puede condensarse y recogerse.

La primera cosechadora que empleó MOF-801 se estrenó en 2017 y era totalmente pasiva y alimentada por energía solar: se sentó y absorbió agua por la noche y la abandonó al día siguiente al calor del sol, con el vapor de agua condensándose en la superficie interior del envase.

Para 2018, el equipo de Berkeley de Yaghi había convertido ese dispositivo de prueba de concepto en una cosechadora de segunda generación que recolectaba 0.07 litros, de agua por día por kilogramo de MOF durante un ciclo de día y noche en el Desierto de Arizona, nuevamente utilizando el calor del sol para expulsar el agua del MOF.

“Aunque la cantidad de agua era baja, el experimento mostró cómo el agua del aire del desierto puede concentrarse en los poros del MOF, eliminarse mediante calentamiento suave con luz solar y luego condensarse en condiciones ambientales”, dijo Yaghi.

El modelo 2019 ya no es pasivo: utiliza paneles solares para alimentar los ventiladores que emiten aire ambiente sobre el MOF contenido dentro de un cartucho, de modo que más MOF está expuesto al aire.

El cartucho lleno de MOF, de aproximadamente 25 cm² y 13 cm de grosor, está cruzado por dos conjuntos de canales: uno para adsorber agua y el otro para expulsarlo al condensador, lo que permite un ciclo continuo durante todo el día.

Los paneles solares, unidos a las baterías para que la cosechadora pueda funcionar por la noche, también alimentan pequeños calentadores que expulsan el agua del MOF.

La productividad de esta nueva cosechadora de agua es 10 veces la cantidad cosechada por el dispositivo anterior y 100 veces mayor que la del dispositivo de prueba de concepto inicial.

No se han encontrado restos de metal u compuestos orgánicos en el agua.

La productividad mejorada y el tiempo de ciclo más corto del nuevo dispositivo provienen de un MOF de nuevo diseño, MOF-303, que está basado en aluminio, a diferencia del MOF-801, que está basado en circonio.

MOF-303 puede contener un 30% más de agua que MOF-801 y puede absorber y desorber agua en solo 20 minutos en condiciones ideales, algo que la puesta en marcha de Yaghi está cerca de lograr.

“El MOF-303 hace dos cosas muy bien: consume mucha más agua que el MOF de circonio del que informamos antes, y lo hace mucho más rápido”, dijo Yaghi.

“Esto permite que el agua entre y salga mucho más rápido; puede bombear aire y cosechar el agua durante muchos ciclos por día”.

Yaghi recibe consultas sobre su cosechadora casi todos los días de personas, agencias y países de todo el mundo, muchos en regiones áridas de Oriente Medio, África, América del Sur, México, Australia y todo el Mediterráneo.

La mayor parte de los fondos para mejoras en la cosechadora proviene de la Ciudad Rey Abdulaziz para Ciencia y Tecnología de Arabia Saudita, como parte de una colaboración conjunta KACST-UC Berkeley llamada Centro de Excelencia para Aplicaciones de Nanomateriales y Energía Limpia.

Los reinos del desierto crónicamente escasos de agua aprecian el potencial del cosechador, dijo Yaghi, que proviene de otro país árido, Jordania.

“La atmósfera tiene casi tanta agua en cualquier momento como todos los ríos y lagos”, dijo. “Cosechar esta agua podría ayudar a convertir los desiertos secos en oasis”.

Fuente: Noticias de la Ciencia