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Investigadores del MIT y otros lugares han aumentado drásticamente la producción de un sistema capaz de extraer agua potable directamente del aire, incluso en áreas secas, mediante el uso de calor del sol u otra fuente.
El sistema, que se basa en un diseño desarrollado originalmente hace tres años en el MIT por miembros del mismo equipo, acerca el proceso un paso más a algo que podría convertirse en una fuente de agua conveniente para áreas remotas. con acceso limitado a agua y luz. Los resultados se describen hoy en la revisión. Joule, en un artículo de la profesora Evelyn Wang, directora del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT; la estudiante de posgrado Alina LaPotin; y seis más en el MIT y en Corea y Utah.
El dispositivo anterior demostrado por Wang y sus colegas proporcionó una prueba de concepto para el sistema, que explota una diferencia de temperatura dentro del dispositivo para permitir un material adsorbente, que acumula líquido en su lugar. superficie – para aspirar la humedad del aire por 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 se libere agua del material adsorbente. Luego, el agua se condensa en una placa de recolección.
Pero este dispositivo requirió el uso de materiales especializados llamados marcos metálicos orgánicos, 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 un segundo paso de desorción y condensación, y al usar material adsorbente fácilmente disponible, la eficiencia del dispositivo se ha incrementado dramáticamente y su escalabilidad como un producto potencialmente ubicuo ha mejorado enormemente, dicen los investigadores. .
Según Wang, el equipo consideró que "es genial tener un pequeño prototipo, pero ¿cómo se puede conseguir en una forma más escalable?" Los nuevos avances en diseño y materiales ahora han llevado a avanzar en esta dirección.
En lugar de 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 utiliza de forma inteligente el calor generado cada vez que 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. Este vapor se condensa en una placa colectora, un proceso que también emite 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 vapor de esta siguiente capa. Las gotas de agua recolectadas de cada una de las dos capas se pueden canalizar juntas a un tanque colector.
En el proceso, la productividad global del sistema, en términos de litros potenciales por día por metro cuadrado de área de captación solar (LMD), se duplica aproximadamente en comparación con la versión anterior, aunque las tasas exactas dependen de las variaciones de temperatura. localidades, flujo solar y niveles de humedad. En el prototipo inicial del nuevo sistema, probado en un tejado en el MIT antes de las restricciones pandémicas, el dispositivo produjo agua a una tasa "varios órdenes de magnitud" más alta que la versión anterior, dice Wang.
Si bien se han utilizado sistemas similares de dos etapas para otras aplicaciones como la desalinización, Wang dice: "No creo que nadie haya tomado ese camino" de uso. tal sistema para la recuperación de agua atmosférica (AWH), como se conocen tales 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 al 100% de humedad relativa y actualmente solo se usa en algunos desiertos costeros, mientras que la recolección de rocío requiere una refrigeración que consume mucha energía para proporcionar superficies frías sobre las que deambular. La humedad se condensa y siempre requiere una humedad de al menos el 50%, dependiendo de 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 ningún aporte de energía más que la luz solar o cualquier otra fuente disponible de calor de baja calidad.
LaPotin dice que la clave es esta arquitectura de dos pasos; ahora que se ha demostrado su eficacia, las personas pueden buscar materiales adsorbentes aún mejores que podrían aumentar aún más las tasas de producción. La tasa de producción actual de alrededor de 0,8 litros de agua por metro cuadrado por día puede ser suficiente para algunas aplicaciones, pero si esta tasa se puede mejorar con más ajustes y elección de materiales , podría llegar a ser práctico a gran escala, dijo. . Ya se están desarrollando materiales que tienen aproximadamente cinco veces la adsorción de 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 militares de campo. El sistema de dos etapas también podría ser adecuado para 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 tanto, podría producir mayores rendimientos diarios.
"Este es un trabajo realmente interesante y tecnológicamente significativo", dice Guihua Yu, profesor de ciencia de materiales e ingeniería mecánica en la Universidad de Texas en Austin, quien no lo hace. no estuvo asociado con este trabajo. “Esto representa un poderoso enfoque de ingeniería para diseñar un dispositivo AWH de dos etapas para lograr una mayor eficiencia en la producción de agua, lo que marca un paso más hacia la producción de agua. agua solar práctica ”, dice.
Yu agrega que "técnicamente es bueno que podamos reutilizar el calor emitido solo por este diseño de dos etapas, para confinar mejor la energía solar en el sistema de recolección de agua a fin de contener mejor la energía solar en el sistema de recolección de agua para mantenerlo fresco. Mejore 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 del MIT; Hyunho Kim del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea; y Sameer Rao de la Universidad de Utah. El trabajo fue apoyado por Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) en MIT.
