La luz solar alimenta sistemas portátiles y económicos para producir agua potable

Una nueva generación de tecnología utiliza el calor del sol para proporcionar agua limpia y sin sal.Las tecnologías termosolares podrían procesar agua de mar y agua subterránea para hacerla potable a menor costo.
Prachi Patel | Scientific American
Créditos: Foto:  Warren Keelan

En un mundo cada vez más caluroso y atestado, el agua limpia se está convirtiendo en un bien preciado. Dos tercios de la población mundial tendrán problemas para acceder al agua dulce para 2025, y la eliminación de la sal y los contaminantes de los océanos y las aguas subterráneas es una forma de saciar la sed de la humanidad.

Sin embargo, construir las grandes plantas desalinizadoras de hoy en día cuesta millones de dólares. La mayoría usa ósmosis inversa, que fuerza el agua de mar a través de membranas que bloquean la sal. La electricidad requerida representa hasta la mitad de los gastos de una planta , y el proceso deja una sopa súper salada y mezclada con químicos que puede dañar los ecosistemas locales . Por lo general, estas instalaciones funcionan con combustibles fósiles que emiten carbono; Se han hecho esfuerzos (especialmente en Oriente Medio, Asia y África) para usar paneles solares en su lugar, pero eso también tiene un costo y no aborda la descarga tóxica.

Por tanto, los investigadores están intentando utilizar el calor del sol de forma más directa para eliminar la sal y otros contaminantes. La opción más sencilla es dejar que el agua se evapore, dejando sales y productos químicos, y luego condensar el vapor en agua limpia. Los seres humanos han utilizado versiones de esta técnica, llamada destilación solar, durante cientos de años. Hoy en día, los ingenieros de Arabia Saudita planean construir una planta con espejos gigantes que concentran la luz solar y sobrecalientan el agua dentro de una cúpula de acero y vidrio de más de 50 metros de diámetro.

Pero mediante el uso de materiales y diseños novedosos, los investigadores están tratando de hacer que el proceso sea más barato, más simple y lo suficientemente portátil como para hacer que la desalinización de alta calidad sea mucho más accesible en todo el mundo. “Las necesidades de agua potable en los países en desarrollo son enormes”, dice Naomi Halas, ingeniera eléctrica e informática de la Universidad Rice. “Las tecnologías termosolares deberían permitirle reducir las necesidades energéticas de la desalinización, pero también hacerlo en ubicaciones remotas donde está completamente desconectado de la red”.

El Departamento de Energía de EE. UU. Anunciará pronto a los semifinalistas de su Premio de Desalinización Solar . El objetivo: un sistema que produzca 1.000 litros de agua utilizable por 1,50 dólares. “Actualmente, ninguna tecnología puede manejar agua de alta salinidad a estos costos”, dice Qilin Li, ingeniero civil y ambiental de Rice.

Dichos sistemas podrían superar una gran desventaja de la ósmosis inversa: generalmente desaliniza solo la mitad del agua salada de entrada, y la solución que queda finalmente acumula suficiente sal para obstruir la membrana, dice Craig Turchi del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del DOE. Este subproducto nocivo, llamado salmuera, generalmente se vierte al océano o se inyecta bajo tierra. Los sistemas de desalinización solar-térmica pueden purificar el agua con concentraciones de sal al menos el doble que el agua de mar. Esto incluiría salmueras de plantas de ósmosis inversa y agua subterránea salobre de lugares como el suroeste de EE. UU., Así como algunos desechos industriales y agrícolas que la ósmosis inversa no puede manejar, dice la portavoz de NREL, Meghan Hughes: “Generalmente, solo tecnologías impulsadas térmicamente, como las estamos trabajando para desarrollar a través de este programa,

Li, Halas y sus colegas han construido un dispositivo de desalinización solar con una membrana de plástico porosa que deja pasar el vapor de agua pero no el líquido. Un lado está cubierto con pequeñas partículas de carbono que se calientan con el sol, vaporizando el agua salada cuando entra en contacto con ellas. Este vapor pasa y se condensa como agua limpia en el otro lado de la membrana. El grupo de Halas aumentó recientemente la eficiencia del sistema en un 50 por ciento mediante el uso de lentes de plástico para enfocar la luz solar en la membrana, produciendo más calor.

Los cálculos del equipo muestran que alcanzar el objetivo de costo del DOE, con un dispositivo del tamaño de un metro cuadrado que produce hasta 20 litros de agua por hora, debería ser posible en unos pocos años. “Estamos en la etapa del Ford Model T, no en la etapa del Mustang todavía”, dice Halas. «Pero es lo suficientemente bueno que estamos empezando a generar interés comercial».

El grupo del ingeniero civil y ambiental David Jassby de la Universidad de California, Los Ángeles, integró materiales conductores de calor en la membrana en una configuración similar. Debajo, los investigadores agregaron una fina malla de aluminio que se calienta con la luz solar. “Por lo tanto, puede enrollar la membrana en módulos en espiral porque no es necesario tener grandes áreas de superficie directamente expuestas al sol”, dice. En las pruebas realizadas en tejados, el dispositivo produjo ocho litros de agua dulce por metro cuadrado de membrana en una hora.

Dichos sistemas podrían prestarse a unidades compactas adecuadas para pueblos fuera de la red en Asia y África, comunidades con agua subterránea salobre y usos de emergencia en casi cualquier lugar. Pero necesitarán acelerar el paso y convertir más calor solar en vapor, dice Lenan Zhang, estudiante de posgrado en el laboratorio de la ingeniera mecánica Evelyn Wang en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.

El equipo de Wang aumenta la eficiencia de su dispositivo «reutilizando la energía una y otra vez», dice Zhang. Incluye 10 etapas, cada una de las cuales tiene un marco de nailon con una capa negra que absorbe el sol, una toalla de papel y una película de aluminio. Cuando se calienta, la capa negra evapora el agua salada a medida que se absorbe en la toalla de papel y el vapor se condensa en el aluminio. La condensación libera calor, que se eleva a la siguiente capa de toallas de papel y ayuda a la evaporación en lugar de perderse. La configuración de $ 100 rinde casi seis litros por hora en el laboratorio y aproximadamente la mitad de eso al aire libre; con materiales y escenarios más sofisticados, dice Zhang, la eficiencia podría duplicarse.

Otro enfoque interesante aprovecha la humidificación al hacer pasar aire a través de un rocío de agua salada. “El aire absorbe el agua y deja sales sólidas”, dice el ingeniero mecánico de la Universidad Estatal de Oregón, Bahman Abbasi. Su sistema usa radiación solar para calentar, comprimir y expulsar una mezcla de agua salada y aire a través de boquillas a alta velocidad, creando así un vórtice que empuja sales y otros sólidos a las paredes del dispositivo a medida que el aire humidificado se eleva para su recolección y condensación. Abbasi dice que el dispositivo del tamaño de una mochila puede limpiar agua con una salinidad hasta tres veces mayor que la del agua de mar y producir alrededor de 20 litros por hora.

Todas estas tecnologías de costo relativamente bajo podrían abrir nuevos mercados para limpiadores de agua portátiles o usos fuera de la red, y más allá. Eventualmente, pueden conducir a sistemas solares térmicos a gran escala para proporcionar agua potable a las ciudades, dice Turchi. Por ahora, «complementarán la ósmosis inversa y serán un actor clave en aplicaciones de nicho donde la ósmosis inversa puede no funcionar».

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