Un dispositivo ultrasónico acelera la recolección de agua del aire

¿Siente sed? ¿Por qué no aprovechar el aire? Incluso en condiciones desérticas, existe un nivel de humedad que, con el material adecuado, puede ser absorbido y exprimido para producir agua potable. En los últimos años, los científicos desarrollaron una serie de materiales similares a esponjas prometedores para esta "recolección de agua atmosférica".

Sin embargo, recuperar el agua de estos materiales generalmente requería calor y tiempo. Los diseños existentes dependían del calor del sol para evaporar el agua de los materiales y condensarla en gotas. Pero este paso podía llevar horas o incluso días.

Ahora, ingenieros del MIT idearon una forma de recuperar rápidamente agua de un material de recolección de agua atmosférica. En lugar de esperar a que el sol evapore el agua, el equipo utiliza ondas ultrasónicas para sacudir el agua.

Los investigadores desarrollaron un dispositivo ultrasónico que vibra a alta frecuencia. Cuando un material recolector de agua, conocido como "sorbente", se coloca sobre el dispositivo, este emite ondas ultrasónicas que están sintonizadas para sacudir las moléculas de agua del sorbente. El equipo descubrió que el dispositivo recupera agua en minutos, en comparación con los decenas de minutos o horas requeridas por los diseños térmicos.

A diferencia de los diseños basados en calor, el dispositivo requiere una fuente de energía. El equipo imagina que el dispositivo podría ser alimentado por una pequeña celda solar, que también podría actuar como un sensor para detectar cuándo el sorbente está lleno. También podría programarse para encenderse automáticamente cada vez que un material haya recolectado suficiente humedad para ser extraído. De esta manera, un sistema podría absorber y sacudir agua del aire en múltiples ciclos a lo largo de un solo día.

La investigadora principal, Svetlana Boriskina, del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, comentó: "Las personas han estado buscando formas de recolectar agua de la atmósfera, que podría ser una gran fuente de agua, particularmente para regiones desérticas y lugares donde ni siquiera hay agua salada para desalinizar. Ahora tenemos una forma de recuperar agua de manera rápida y eficiente".

Boriskina y sus colegas informaron sobre su nuevo dispositivo en un estudio publicado en la revista Nature Communications. El primer autor del estudio es Ikra Iftekhar Shuvo, un estudiante de posgrado del MIT en artes y ciencias de los medios, junto con Carlos Díaz-Marín, Marvin Christen, Michael Lherbette y Christopher Liem.

Horas preciosas

El grupo de Boriskina en el MIT desarrolla materiales que interactúan con el medio ambiente de maneras novedosas. Recientemente, su grupo exploró la recolección de agua atmosférica (AWH) y cómo se pueden diseñar materiales para absorber agua de manera eficiente del aire. La esperanza es que, si pueden funcionar de manera confiable, los sistemas de AWH serían de gran beneficio para comunidades donde las fuentes tradicionales de agua potable, e incluso el agua salada, son escasas.

Como otros grupos, el laboratorio de Boriskina había asumido generalmente que un sistema de AWH en el campo absorbería humedad durante la noche y luego usaría el calor del sol durante el día para evaporar naturalmente el agua y condensarla para su recolección.

"Cualquier material que sea muy bueno para capturar agua no quiere desprenderse de esa agua", explica Boriskina. "Por lo tanto, necesitas poner mucha energía y horas preciosas en sacar agua del material".

Se dio cuenta de que podría haber una forma más rápida de recuperar agua después de que Ikra Shuvo se unió a su grupo. Shuvo había estado trabajando con ultrasonido para aplicaciones de dispositivos médicos portátiles. Cuando él y Boriskina consideraron ideas para nuevos proyectos, se dieron cuenta de que el ultrasonido podría ser una forma de acelerar el paso de recuperación en la recolección de agua atmosférica.

"Todo encajó: tenemos este gran problema que estamos tratando de resolver, y ahora Ikra parecía tener una herramienta que se puede usar para resolver este problema", recuerda Boriskina.

Baile del agua

El ultrasonido, o las ondas ultrasónicas, son ondas de presión acústica que viajan a frecuencias superiores a 20 kilohertz (20,000 ciclos por segundo). Estas ondas de alta frecuencia no son visibles ni audibles para los humanos. Y, como descubrió el equipo, el ultrasonido vibra a la frecuencia justa para sacudir el agua de un material.

"Con el ultrasonido, podemos romper con precisión los enlaces débiles entre las moléculas de agua y los sitios donde están sentadas", dice Shuvo. "Es como si el agua estuviera bailando con las ondas, y esta perturbación dirigida crea un impulso que libera las moléculas de agua, y podemos verlas sacudirse en gotas".

Shuvo y Boriskina diseñaron un nuevo actuador ultrasónico para recuperar agua de un material de recolección de agua atmosférica. El corazón del dispositivo es un anillo cerámico plano que vibra cuando se aplica voltaje. Este anillo está rodeado por un anillo exterior que está salpicado de pequeñas boquillas. Las gotas de agua que se sacuden de un material pueden caer a través de la boquilla y entrar en los recipientes de recolección adjuntos por encima y por debajo del anillo vibrante.

Probaron el dispositivo en un material de recolección de agua atmosférica previamente diseñado. Usando muestras del tamaño de una moneda, el equipo primero colocó cada muestra en una cámara de humedad, configurada a varios niveles de humedad. Con el tiempo, las muestras absorbieron humedad y se saturaron. Luego, los investigadores colocaron cada muestra sobre el actuador ultrasónico y lo encendieron para vibrar a frecuencias ultrasónicas. En todos los casos, el dispositivo pudo sacudir suficiente agua para secar cada muestra en solo unos minutos.

Los investigadores calcularon que, en comparación con el uso del calor del sol, el diseño ultrasónico es 45 veces más eficiente para extraer agua del mismo material.

"La belleza de este dispositivo es que es completamente complementario y puede ser un complemento para casi cualquier material sorbente", dice Boriskina, quien imagina un sistema práctico para el hogar que podría consistir en un material de rápida absorción y un actuador ultrasónico, cada uno del tamaño de una ventana. Una vez que el material esté saturado, el actuador se encendería brevemente, alimentado por una celda solar, para sacudir el agua. Luego, el material estaría listo para recolectar más agua, en múltiples ciclos a lo largo de un solo día.

"Todo se trata de cuánta agua puedes extraer por día", dice. "Con ultrasonido, podemos recuperar agua rápidamente y volver a ciclar una y otra vez. Eso puede sumar mucho por día".

Temas