Sistema de energía solar que extrae el agua potable del aire «seco»

Se probó un prototipo del nuevo sistema de recolección de agua de dos etapas en una azotea del MIT. El dispositivo, que se conectó a una computadora portátil para la recopilación de datos y se montó en ángulo para mirar al sol, tiene una placa colectora solar negra en la parte superior y el agua que produjo fluyó en dos tubos en la parte inferior.
Los ingenieros del MIT han hecho que su diseño inicial sea más práctico, eficiente y escalable.
David L. Chandler | Oficina de noticias del MIT
Créditos: Foto: Alina LaPotin

Los investigadores del MIT y otros lugares han aumentado significativamente la producción de un sistema que puede extraer agua potable directamente del aire incluso en regiones secas, utilizando el calor del sol u otra fuente.

El sistema, que se basa en un diseño desarrollado inicialmente hace tres años en el MIT por miembros del mismo equipo, acerca el proceso a algo que podría convertirse en una fuente práctica de agua para regiones remotas con acceso limitado a agua y electricidad. Los hallazgos se describen hoy en la revista Joule, en un artículo de la profesora Evelyn Wang, jefa del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT; la estudiante de posgrado Alina LaPotin; y otros seis en el MIT y en Corea y Utah.

El dispositivo anterior demostrado por Wang y sus compañeros de trabajo proporcionó una prueba de concepto para el sistema, que aprovecha una diferencia de temperatura dentro del dispositivo para permitir que un material adsorbente, que acumula líquido en su superficie, absorba la humedad del aire durante la noche. y suéltelo al día siguiente. Cuando el material se calienta con la luz solar, la diferencia de temperatura entre la parte superior calentada y la parte inferior sombreada hace que el agua se libere del material adsorbente. Luego, el agua se condensa en una placa de recolección.

Pero ese dispositivo requería el uso de materiales especializados llamados estructuras orgánicas metálicas, o MOF, que son costosos y limitados en el suministro, y la producción de agua del sistema no era suficiente para un sistema práctico. Ahora, al incorporar una segunda etapa de desorción y condensación, y al usar un material adsorbente fácilmente disponible, la salida del dispositivo se ha incrementado significativamente y su escalabilidad como un producto potencialmente generalizado ha mejorado enormemente, dicen los investigadores.

Wang dice que el equipo consideró que «es genial tener un pequeño prototipo, pero ¿cómo podemos conseguirlo en una forma más escalable?» Los nuevos avances en diseño y materiales ahora han llevado a avanzar en esa dirección.

En lugar de los MOF, el nuevo diseño utiliza un material adsorbente llamado zeolita, que en este caso está compuesto por un aluminofosfato de hierro microporoso. El material está ampliamente disponible, es estable y tiene las propiedades adsorbentes adecuadas para proporcionar un sistema de producción de agua eficiente basado solo en las fluctuaciones típicas de temperatura día-noche y el calentamiento con luz solar.

El diseño de dos etapas desarrollado por LaPotin hace un uso inteligente del calor que se genera cuando el agua cambia de fase. El calor del sol es recolectado por una placa de absorción solar en la parte superior del sistema en forma de caja y calienta la zeolita, liberando la humedad que el material ha capturado durante la noche. Ese vapor se condensa en una placa colectora, un proceso que también libera calor. La placa colectora es una hoja de cobre directamente encima y en contacto con la segunda capa de zeolita, donde el calor de condensación se utiliza para liberar el vapor de esa capa posterior. Las gotas de agua recolectadas de cada una de las dos capas se pueden canalizar juntas a un tanque recolector.

En el proceso, la productividad general del sistema, en términos de sus litros potenciales por día por metro cuadrado de área de recolección solar (LMD), se duplica aproximadamente en comparación con la versión anterior, aunque las tasas exactas dependen de las variaciones de temperatura locales, flujo solar y niveles de humedad. En el prototipo inicial del nuevo sistema, probado en una azotea en el MIT antes de las restricciones pandémicas, el dispositivo produjo «órdenes de magnitud» más de agua total que la versión anterior, dice Wang.

Si bien se han utilizado sistemas similares de dos etapas para otras aplicaciones como la desalinización, Wang dice: «Creo que nadie ha seguido realmente esta vía» de utilizar un sistema de este tipo para la recolección de agua atmosférica (AWH), como se conocen estas tecnologías.

Los enfoques de AWH existentes incluyen la recolección de niebla y la recolección de rocío, pero ambos tienen limitaciones significativas. La recolección de niebla solo funciona con un 100 por ciento de humedad relativa, y actualmente se usa solo en algunos desiertos costeros, mientras que la recolección de rocío requiere refrigeración intensiva en energía para proporcionar superficies frías en las que se condense la humedad, y aún requiere una humedad de al menos el 50 por ciento, dependiendo en la temperatura ambiente.

Por el contrario, el nuevo sistema puede funcionar a niveles de humedad tan bajos como el 20 por ciento y no requiere más energía que la luz solar o cualquier otra fuente disponible de calor de bajo grado.

LaPotin dice que la clave es esta arquitectura de dos etapas; ahora que se ha demostrado su eficacia, las personas pueden buscar materiales adsorbentes aún mejores que podrían impulsar aún más las tasas de producción. La tasa de producción actual de aproximadamente 0,8 litros de agua por metro cuadrado por día puede ser adecuada para algunas aplicaciones, pero si esta tasa se puede mejorar con más ajustes finos y elecciones de materiales, esto podría volverse práctico a gran escala, dice ella. . Ya se están desarrollando materiales que tienen una adsorción aproximadamente cinco veces mayor que esta zeolita en particular y podrían conducir a un aumento correspondiente en la producción de agua, según Wang.

El equipo continúa trabajando para refinar los materiales y el diseño del dispositivo y adaptarlo a aplicaciones específicas, como una versión portátil para operaciones de campo militar. El sistema de dos etapas también podría adaptarse a otros tipos de enfoques de recolección de agua que utilizan múltiples ciclos térmicos por día, alimentados por una fuente de calor diferente en lugar de la luz solar y, por lo tanto, podrían producir mayores rendimientos diarios.

«Este es un trabajo interesante y tecnológicamente significativo», dice Guihua Yu, profesor de ciencia de materiales e ingeniería mecánica en la Universidad de Texas en Austin, quien no estuvo asociado con este trabajo. “Representa un poderoso enfoque de ingeniería para diseñar un dispositivo AWH de dos etapas para lograr un mayor rendimiento de producción de agua, lo que marca un paso más hacia la práctica producción de agua impulsada por la energía solar”, dice.

Yu agrega que “Técnicamente, es hermoso que uno pueda reutilizar el calor liberado simplemente por este diseño de dos etapas, para confinar mejor la energía solar en el sistema de recolección de agua para mejorar la eficiencia energética y la productividad diaria del agua. La investigación futura consiste en mejorar este sistema prototipo con componentes de bajo costo y configuración simple con pérdida de calor minimizada «.

El equipo de investigación incluye a Yang Zhong, Lenan Zhang, Lin Zhao y Arny Leroy en el MIT; Hyunho Kim del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea; y Sameer Rao en la Universidad de Utah. El trabajo fue apoyado por Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) en MIT.

«Reimpreso con permiso de MIT News»



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