Saciar la sed del mundo árido: Captadores de agua atmosféricos compactos alimentados por combustible

A medida que la población mundial sigue aumentando y el cambio climático altera las fuentes tradicionales de agua, la necesidad de enfoques innovadores para la producción de agua dulce es más acuciante que nunca. Más de 4.000 millones de personas en todo el mundo viven en regiones con escasez de agua, y los expertos predicen que esta cifra no hará sino crecer en las próximas décadas. Para hacer frente a este gran desafío se necesitan tecnologías descentralizadas y fiables que puedan extraer agua del aire, incluso en los climas más secos.

Ha surgido una solución prometedora en forma de dispositivos de captación de agua atmosférica basados en la sorción (SAWH). Estos sistemas utilizan materiales porosos llamados sorbentes para captar el vapor de agua del aire mediante un proceso cíclico de adsorción y desorción. En los últimos años se ha avanzado mucho en este campo, con nuevos materiales absorbentes y diseños de dispositivos innovadores que han ampliado las posibilidades. Sin embargo, aún quedan importantes retos de ingeniería por superar antes de que el SAWH pueda generalizarse como solución viable para el agua dulce en todo el mundo.

Investigadores de la Universidad de Utah se han enfrentado a estos retos y han desarrollado un prototipo de SAWH pionero en su clase que aprovecha el ciclo rápido y compacto y la desorción alimentada por combustible para lograr una producción de agua sin precedentes en un espacio reducido. Su dispositivo "compacto de ciclo rápido alimentado por combustible" (CRCF, por sus siglas en inglés) representa un gran paso adelante para hacer de la SAWH una realidad práctica, abordando las principales limitaciones que han obstaculizado la adopción generalizada de esta prometedora tecnología.

La búsqueda de SAWH compactos y de alto rendimiento
Los dispositivos SAWH funcionan mediante ciclos de adsorción y desorción de materiales absorbentes. Durante la adsorción, el material absorbente absorbe el vapor de agua del aire ambiente. Cuando el sorbente se satura, se calienta para liberar el agua capturada, que se condensa en forma líquida. Este proceso cíclico permite a los sistemas SAWH producir continuamente agua dulce a partir del aire.

Aunque el concepto básico de SAWH es sencillo, optimizar el rendimiento y la compacidad de estos dispositivos ha resultado todo un reto. Un parámetro clave es la productividad diaria del agua (P), que mide la cantidad de agua producida por unidad de masa de material absorbente. Maximizar la P es crucial para minimizar el tamaño y el coste de los sistemas SAWH. Otra métrica crítica es la productividad volumétrica (Pv), que cuantifica la producción diaria de agua por unidad de volumen del sistema adsorbente. Una Pv elevada permite que los dispositivos SAWH sean compactos y ocupen poco espacio.

Las recientes innovaciones de SAWH se han centrado en gran medida en el desarrollo de nuevos materiales absorbentes con una elevada captación de agua y una rápida cinética de adsorción/desorción. Los marcos orgánicos metálicos (MOF) se han revelado como una clase de sorbentes especialmente prometedora, ya que ofrecen una capacidad excepcional de captación de agua. Sin embargo, los avances en materiales no bastan por sí solos: la ingeniería de sistemas desempeña un papel esencial para aprovechar todo el potencial de los SAWH.

"La investigación contemporánea sobre SAWH ha pasado por alto a menudo la importancia del diseño y la integración del sistema", explica Sameer Rao, autor principal del estudio y profesor adjunto de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Utah. "Lograr un alto rendimiento en ambas métricas de productividad -P y Pv- es crucial para hacer de SAWH una tecnología práctica y ampliamente desplegable".

Rao y su equipo se dieron cuenta de que para resolver los problemas del sistema SAWH hacía falta un nuevo enfoque. Su solución fue el dispositivo CRCF, que aborda dos limitaciones clave de los sistemas SAWH existentes: la dependencia de la energía solar intermitente para la desorción y la dificultad de lograr una producción de agua compacta y de alta densidad.

Impulsar el futuro de la captación de agua atmosférica
Los dispositivos SAWH convencionales suelen utilizar energía solar o electricidad para alimentar el proceso de desorción, en el que el agua captada se desprende del material absorbente. Este método funciona bien en lugares soleados y conectados a la red eléctrica, pero presenta importantes limitaciones. Los sistemas alimentados por energía solar dependen de las horas de luz y de las condiciones meteorológicas, mientras que los alimentados por electricidad requieren un costoso almacenamiento de energía para funcionar de forma continua.

El prototipo de CRCF desarrollado por Rao y su equipo adopta un enfoque diferente, utilizando una fuente de calor compacta basada en la combustión para impulsar el proceso de desorción. Aprovechando la alta densidad energética de los combustibles líquidos, el dispositivo CRCF puede funcionar independientemente del sol o de la red eléctrica, lo que permite una producción de agua fiable durante todo el día.

"La desorción por combustible cambia las reglas del juego de SAWH", afirma Rao. "Nos permite desacoplar el sistema de fuentes de energía intermitentes, allanando el camino para una captación de agua verdaderamente autónoma y sin conexión a la red".

El dispositivo CRCF cuenta con un intercambiador de calor adsorbente (AHX) diseñado a medida que aloja el material sorbente, en este caso un MOF de fumarato de aluminio. El AHX está conectado a una fuente de calor alimentada por combustible a través de un tubo de calor pasivo, que transfiere eficazmente el calor de la combustión al sorbente para su desorción. Durante la fase de adsorción, el aire ambiente pasa a través del AHX, permitiendo que el MOF capture vapor de agua. Cuando el sorbente se satura, los tubos de calor suministran la energía térmica necesaria para liberar el agua, que se condensa y se recoge.

Este sistema alimentado por combustible no sólo permite un funcionamiento continuo, sino también un diseño más compacto que el de los sistemas solares. "Al eliminar la necesidad de voluminosos paneles solares y de almacenamiento de energía, podemos empaquetar el dispositivo CRCF en un espacio mucho más reducido", explica Rao. "Se trata de una ventaja crucial para el despliegue en el mundo real, donde el espacio y la portabilidad suelen ser escasos".

Pruebas del prototipo y optimización del rendimiento
Para validar el concepto de CRCF e identificar oportunidades de mejora, los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos en interiores y exteriores. El prototipo se probó primero en un laboratorio controlado, donde alcanzó una productividad diaria de agua de 0,95 kg por kg de MOF y una productividad volumétrica de 38,5 kg por metro cúbico de AHX al día.

A continuación, el equipo sacó el dispositivo CRCF al exterior y lo sometió a las duras y áridas condiciones de Salt Lake City (Utah). A lo largo de 25 horas, el prototipo completó cinco ciclos continuos de recogida de agua, produciendo un total de 266 gramos de agua líquida. Aunque este rendimiento al aire libre fue ligeramente inferior al de las pruebas en interiores, representó un logro significativo, dadas las difíciles condiciones ambientales.

"Los experimentos al aire libre aportaron información valiosa sobre los retos reales del SAWH, como el impacto de las bajas temperaturas y la humedad en la cinética de adsorción", afirma Rao. "Estos aprendizajes serán cruciales mientras trabajamos para optimizar aún más el diseño del CRCF".

Una de las principales limitaciones detectadas durante las pruebas fue la eficacia del proceso de condensación del agua. El equipo descubrió que una parte significativa del vapor de agua desorbido no se condensaba correctamente, lo que reducía el rendimiento total de agua del sistema. Este problema es habitual en los dispositivos SAWH, ya que la presencia de gases no condensables (como el aire) puede impedir el proceso de condensación.

Para solucionar este problema, los investigadores estudiaron estrategias para mejorar la eficacia de la condensación, como la incorporación de un sistema de circulación de aire de circuito cerrado. Mediante la recirculación de la corriente de aire desorbido, consiguieron aumentar la tasa de condensación y mejorar el rendimiento general de la captación de agua.

A partir de estos datos experimentales, el equipo de investigación recurrió a la modelización computacional para explorar el espacio de diseño e identificar oportunidades de optimización. Utilizando su marco de simulación validado, llevaron a cabo un estudio paramétrico para comprender las relaciones entre las variables clave de diseño -como el grosor de las aletas sorbentes y el grado de truncamiento de la adsorción- y las métricas P y Pv del sistema.

Los resultados de este estudio de optimización fueron impresionantes. Ajustando cuidadosamente la geometría del AHX y los patrones de ciclado, los investigadores lograron proyectar un sistema CRCF capaz de alcanzar una productividad diaria de agua de 3,19 kg por kg de MOF y una productividad volumétrica de 718 kg por metro cúbico de AHX al día. Estas cifras representan una mejora de 1,53 veces y 2,13 veces, respectivamente, sobre el estado actual de la técnica en dispositivos SAWH basados en MOF sin refrigeración.

"La clave para desbloquear este aumento del rendimiento reside en nuestra capacidad para ciclar rápidamente el material sorbente y maximizar la producción de agua por unidad de volumen", explica Rao. "El diseño del CRCF, con su desorción alimentada por combustible y su intercambiador de calor compacto, ofrece la flexibilidad necesaria para optimizar estos parámetros críticos".

Scaling Up for Global Impact
El prototipo de CRCF desarrollado por el equipo de la Universidad de Utah no es sólo una prueba de concepto, sino que representa un paso importante para hacer del SAWH una solución viable para hacer frente a la escasez mundial de agua. Combinando un diseño innovador del sistema con materiales de alto rendimiento, los investigadores han demostrado el potencial sin explotar de esta tecnología.

"Lo verdaderamente interesante del enfoque CRCF es su escalabilidad y adaptabilidad", afirma Rao. "La naturaleza de bloque de construcción del diseño AHX significa que podemos ampliar fácilmente el sistema para satisfacer las necesidades de agua de comunidades de todos los tamaños, desde hogares individuales hasta municipios más grandes".

De hecho, los investigadores prevén un futuro en el que los dispositivos SAWH basados en CRCF se desplieguen por todo el mundo, proporcionando un acceso fiable al agua dulce incluso en las regiones más áridas. Al desacoplar el sistema del sol y de la red eléctrica, estos recolectores alimentados por combustible podrían cambiar las reglas del juego de las comunidades sin conexión a la red y de las operaciones de socorro en caso de catástrofe, donde el acceso al agua potable suele ser un problema crítico.

"En última instancia, nuestro objetivo es liberar todo el potencial del SAWH y convertirlo en una realidad práctica para quienes más lo necesitan", afirma Rao. "El prototipo CRCF es un paso significativo en esa dirección, y estamos entusiasmados por seguir ampliando los límites de lo que es posible en la captación de agua atmosférica".

A medida que se intensifica la crisis mundial del agua, soluciones innovadoras como el dispositivo CRCF serán cruciales para calmar la sed de las regiones áridas de todo el mundo. Al aprovechar la abundancia de vapor de agua en la atmósfera y desvincularse de las fuentes de energía intermitentes, estos recolectores alimentados por combustible prometen proporcionar un acceso fiable y descentralizado al agua dulce, un paso vital hacia un futuro más sostenible y equitativo.

Referencia(s)

1. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102115

Pulse TAGS para ver artículos relacionados :

CAMBIO CLIMÁTICO | MEDIO AMBIENTE