Los ingenieros y colaboradores del MIT desarrollaron un dispositivo alimentado por energía solar que evita los problemas de obstrucción por sal de otros diseños.
Podría producir agua dulce más barata que el agua del grifo
Ingenieros del MIT y de China pretenden convertir el agua de mar en agua potable con un dispositivo completamente pasivo inspirado en el océano y alimentado por el sol.
En un artículo que aparece hoy en la revista Joule, el equipo describe el diseño de un nuevo sistema de desalinización solar que toma agua salada y la calienta con luz solar natural.
La configuración del dispositivo permite que el agua circule en remolinos, de una manera similar a la circulación «termohalina» mucho más grande del océano. Esta circulación, combinada con el calor del sol, hace que el agua se evapore, dejando sal. El vapor de agua resultante se puede condensar y recolectar como agua pura y potable. Mientras tanto, la sal sobrante continúa circulando a través y fuera del dispositivo, en lugar de acumularse y obstruir el sistema.
El nuevo sistema tiene una tasa de producción de agua más alta y una tasa de rechazo de sal más alta que todos los demás conceptos de desalinización solar pasiva que se están probando actualmente.
Los investigadores estiman que si el sistema se amplía al tamaño de una maleta pequeña, podría producir entre 4 y 6 litros de agua potable por hora y durar varios años antes de necesitar piezas de repuesto. A esta escala y rendimiento, el sistema podría producir agua potable a un ritmo y precio más baratos que el agua del grifo.
«Por primera vez, es posible que el agua producida por la luz solar sea incluso más barata que el agua del grifo»,
dice Lenan Zhang, científica investigadora del Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT.
El equipo imagina que un dispositivo a mayor escala podría producir pasivamente suficiente agua potable para satisfacer las necesidades diarias de una familia pequeña. El sistema también podría abastecer a comunidades costeras aisladas de la red donde el agua de mar es fácilmente accesible.
Los coautores del estudio de Zhang incluyen al estudiante graduado del MIT Yang Zhong y Evelyn Wang, profesora de ingeniería de Ford, junto con Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang y Zhenyuan Xu de la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China.
Una poderosa convección
El nuevo sistema del equipo mejora su diseño 
anterior : un concepto similar de múltiples capas, llamadas etapas. Cada etapa contenía un evaporador y un condensador que utilizaba el calor del sol para separar pasivamente la sal del agua entrante. Ese diseño, que el equipo probó en el techo de un edificio del MIT, convirtió de manera eficiente la energía del sol para evaporar agua, que luego se condensó en agua potable. Pero la sal que quedó se acumuló rápidamente en forma de cristales que obstruyeron el sistema después de unos días. En un entorno real, un usuario tendría que colocar etapas con frecuencia, lo que aumentaría significativamente el costo general del sistema.
En un esfuerzo de seguimiento, idearon una solución con una configuración en capas similar, esta vez con una característica adicional que ayudó a hacer circular el agua entrante, así como la sal sobrante. Si bien este diseño evitó que la sal se depositara y acumulara en el dispositivo, desalinizó el agua a un ritmo relativamente bajo.
En la última versión, el equipo cree haber llegado a un diseño que logra tanto una alta tasa de producción de agua como un alto rechazo de sal, lo que significa que el sistema puede producir agua potable de manera rápida y confiable durante un período prolongado. La clave de su nuevo diseño es una combinación de sus dos conceptos anteriores: un sistema de evaporadores y condensadores de varias etapas, que también está configurado para impulsar la circulación de agua (y sal) dentro de cada etapa.
«Ahora introducimos una convección aún más poderosa, similar a la que normalmente vemos en el océano, a escalas de kilómetros de largo», dice Xu.
Las pequeñas circulaciones generadas en el nuevo sistema del equipo son similares a la convección «termohalina» en el océano, un fenómeno que impulsa el movimiento del agua en todo el mundo, basándose en las diferencias en la temperatura del mar («termo») y la salinidad («halina»). ).
“Cuando el agua de mar se expone al aire, la luz solar hace que el agua se evapore. Una vez que el agua sale de la superficie, queda sal. Y cuanto mayor es la concentración de sal, más denso es el líquido, y esta agua más pesada quiere fluir hacia abajo”, explica Zhang. «Al imitar este fenómeno de un kilómetro de ancho en una caja pequeña, podemos aprovechar esta característica para rechazar la sal».
Tocando
El corazón del nuevo diseño del equipo es un escenario único que se asemeja a una caja delgada, rematado con un material oscuro que absorbe eficientemente el calor del sol. En el interior, la caja está dividida en una sección superior e inferior. El agua puede fluir a través de la mitad superior, donde el techo está revestido con una capa evaporadora que utiliza el calor del sol para calentar y evaporar el agua en contacto directo. Luego, el vapor de agua se canaliza hacia la mitad inferior de la caja, donde una capa de condensación enfría el vapor con aire y lo convierte en un líquido potable sin sal. Los investigadores colocaron toda la caja inclinada dentro de un recipiente vacío más grande, luego conectaron un tubo desde la mitad superior de la caja hasta el fondo del recipiente y lo hicieron flotar en agua salada.
En esta configuración, el agua puede subir naturalmente a través del tubo y entrar en la caja, donde la inclinación de la caja, combinada con la energía térmica del sol, induce al agua a girar a medida que fluye. Los pequeños remolinos ayudan a poner el agua en contacto con la capa superior de evaporación mientras mantienen la sal circulando, en lugar de sedimentarse y obstruirse.
El equipo construyó varios prototipos, con una, tres y diez etapas, y probó su rendimiento en agua de diferente salinidad, incluida agua de mar natural y agua siete veces más salada.
A partir de estas pruebas, los investigadores calcularon que si cada etapa se ampliara a un metro cuadrado, se producirían hasta 5 litros de agua potable por hora, y que el sistema podría desalinizar agua sin acumular sal durante varios años. Dada esta vida útil prolongada y el hecho de que el sistema es completamente pasivo y no requiere electricidad para funcionar, el equipo estima que el costo total de funcionamiento del sistema sería más barato que lo que cuesta producir agua del grifo en los Estados Unidos.
«Demostramos que este dispositivo es capaz de lograr una vida útil prolongada», afirma Zhong. “Eso significa que, por primera vez, es posible que el agua potable producida por la luz solar sea más barata que el agua del grifo. Esto abre la posibilidad de que la desalinización solar aborde los problemas del mundo real”.
«Se trata de un enfoque muy innovador que mitiga eficazmente los principales desafíos en el campo de la desalinización», afirma Guihua Yu, que desarrolla sistemas sostenibles de almacenamiento de agua y energía en la Universidad de Texas en Austin, y que no participó en la investigación. “El diseño es particularmente beneficioso para las regiones que luchan con agua de alta salinidad. Su diseño modular lo hace muy adecuado para la producción de agua doméstica, lo que permite escalabilidad y adaptabilidad para satisfacer las necesidades individuales”.
La financiación de la investigación en la Universidad Jiao Tong de Shanghai fue apoyada por la Fundación de Ciencias Naturales de China.
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