Sostenibilidad
Tecnología de ultrasonido supercarga la recolección de agua atmosférica
TL;DR
El dispositivo de ultrasonido del MIT puede extraer agua del aire húmedo hasta 45 veces más eficientemente que los sistemas basados en calor, reduciendo los ciclos de horas a minutos. Si se escala con energías renovables, podría permitir la generación práctica de agua limpia fuera de la red en regiones áridas y remotas.
Agua limpia del aire: fundamentos de la recolección de agua atmosférica
En muchas regiones del mundo, el agua fresca es un lujo. Una opción para acceder a ella podría ser la desalación, pero hasta ahora, este es un enfoque muy intensivo en términos de energía, aunque algunos avances en la tecnología solar han hecho que esté más cerca de la realidad.
La desalación de agua de mar no es una opción para muchas regiones áridas del interior, como, por ejemplo, Asia central, Mongolia, las montañas chilenas o la mayor parte del desierto del Sahara.
Otra opción es capturar el agua presente en el aire. Muchos desiertos tienen en realidad una humedad atmosférica bastante alta, pero por razones climáticas, no forman lluvia y nubes.
Esta es la promesa de la recolección de agua atmosférica. Anteriormente, cubrimos cómo la refrigeración pasiva mezclada con un recubrimiento de silicio podría aumentar la eficiencia de la recolección de agua basada en la gravedad y cómo los nuevos polímeros de adsorción podrían ayudar también.
Los investigadores ahora están buscando mejoras adicionales en la recolección de humedad atmosférica, lo que nos acerca a la “trampa de viento” de la recolección de agua de la ficción científica del universo de Dune.
Un equipo del MIT, en colaboración con la empresa alemana SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, ha utilizado ultrasonido para aumentar la eficiencia de la adsorción de agua atmosférica. Publicaron sus resultados en Nature Communications1, bajo el título “Recolección de agua atmosférica de alta eficiencia habilitada por extracción ultrasónica”.
Adsorción de agua atmosférica explicada
Un método para recolectar agua del aire es utilizar un polímero que “adsorbe” agua.
Adsorción es la capacidad de sustancias sólidas, llamadas “sorbentes”, para atraer moléculas de gases o soluciones con las que están en contacto con sus superficies – en este caso, vapor de agua gaseoso y gotas de agua suspendidas en el aire.
En la vida cotidiana, conocemos materiales adsorbentes como el gel de sílice en el embalaje comercial. Este es un proceso relativamente eficiente, y puede recoger mucha agua ambiental.
El problema es hacer que el polímero libere ese agua. Normalmente, se requiere un calor de alrededor de 100°C para desorber estos polímeros, lo que, por supuesto, hace que sea muy ineficiente en términos de energía y costoso.
“Cualquier material que sea muy bueno para capturar agua no quiere separarse de esa agua. Así que necesitas poner mucha energía y valiosas horas para sacar el agua del material.”
Incluso las temperaturas más bajas con nuevos polímeros tienen el problema de que la liberación de agua utilizando calor es un proceso lento, que lleva decenas de minutos o horas. Como resultado, la mayoría de los sistemas de adsorción de agua necesitan capturar el agua por la noche y liberarla durante el día con el calor del sol.
En contraste, utilizar ultrasonido podría reducir el tiempo de recolección de agua a solo unos minutos y podría hacerse bajo demanda.
Potencial de los ultrasonidos
Los ultrasonidos, o ondas de presión ultrasónicas, son ondas de presión acústica que viajan a frecuencias de más de 20 kilohertzios (20.000 ciclos por segundo). Se utilizan cada vez más para aplicaciones avanzadas, como bioprinting y carga inalámbrica de dispositivos médicos remotos.
Parece que el ultrasonido vibra a la frecuencia justa para causar la separación de las moléculas de agua y el material que la absorbió.
Fuente: Nature Communications
Los investigadores diseñaron un anillo de cerámica plano hecho de titanato de zirconio de plomo (PZT), que vibra cuando se aplica voltaje.
“Es como si el agua estuviera bailando con las ondas, y esta perturbación dirigida crea impulso que libera las moléculas de agua, y podemos ver cómo se sacuden en gotas.”
Para adsorber el agua, utilizaron varios tipos de hidrogeles PAM-LiCl AWH que variaban en elasticidad, que incorporaban iones de litio y cloruro para atrapar el agua del aire.
Fuente: Nature Communications
Cuando se sometió a prueba, el dispositivo pudo sacudir suficiente agua para secar cada muestra en solo unos minutos.
La inspección de los hidrogeles con un microscopio electrónico también demostró que el ultrasonido no dañó el gel, lo que hace que este dispositivo sea lo suficientemente duradero para su uso práctico.
Fuente: Nature Communications
Mejora masiva de la eficiencia
Debido a que hasta ahora la liberación de agua por calor solo ocurría una vez, la eficiencia del proceso era muy baja, con incluso el dispositivo de última generación a solo 9,5% de eficiencia.
En contraste, el sistema del MIT puede producir agua repetidamente durante el día, lo que lleva a una eficiencia tan alta como 428%, o un aumento de 45 veces en la eficiencia.
“Todo se trata de cuánta agua puedes extraer por día”, dice. “Con ultrasonido, podemos recuperar agua rápidamente y ciclo tras ciclo. Eso puede sumar mucho por día.”
Así que, aunque el dispositivo desperdició un poco de energía en calor (efecto Joule), todavía es mucho más eficiente que todos los demás métodos de recolección de agua desarrollados hasta ahora.
Deslizar para desplazarse →
| Método | Fuente de energía | Velocidad del ciclo | Eficiencia (%) |
|---|---|---|---|
| Recolección de agua atmosférica basada en calor tradicional | Calor solar | Horas por ciclo | ~9,5% |
| Extracción ultrasónica del MIT | Eléctrica (solar/eólica) | 2 minutos por ciclo | ~428% |
“La gente ha estado buscando formas de recolectar agua de la atmósfera, lo que podría ser una gran fuente de agua, particularmente para regiones desérticas y lugares donde no hay siquiera agua de mar para desalinizar.
Ahora tenemos una forma de recuperar agua rápidamente y de manera eficiente.”
Despliegue en la vida real en regiones áridas y remotas
Al principio, la mejor aplicación posible de este dispositivo será para áreas desérticas remotas con acceso limitado a energía y infraestructura de agua fresca.
A diferencia de la adsorción basada en calor, este dispositivo necesitará energía eléctrica para producir ultrasonido, por lo que se necesitará generación de energía descentralizada, ya sea con:
- Paneles solares como los utilizados en los experimentos del MIT.
- Con viento, que podría funcionar por la noche, cuando la humedad es aún mayor, lo que permite más ciclos de recolección de agua de 2 minutos por hora.
- Con sistemas de generación de energía renovable + baterías para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana.
Cuando se probó la frecuencia de ciclo ideal, los investigadores encontraron que el ritmo ideal es dejar que el material absorba agua durante 1 hora, luego usar ultrasonido para liberarla en 2 minutos, y repetir el ciclo.
Más importante aún, la energía necesaria para extraer el agua con ultrasonido se mantuvo constante, en lugar de ver una disminución lenta como con los métodos basados en calor.
Fuente: Nature Communications
Mejoras futuras en la recolección de agua atmosférica
Materiales sorbentes de próxima generación
Este método utilizó hidrogeles de litio, pero existen muchos otros materiales sorbentes: otros hidrogeles, marcos orgánicos metálicos, mantas de micro y nano fibras, y combinaciones de estos materiales.
Cada uno necesitará ser reevaluado y reingenierizado para mejorar su compatibilidad con el método de extracción alternativo.
La resistencia a la degradación de estos otros sorbentes también necesitará ser evaluada.
Mejora de la eficiencia del ultrasonido
Considerando que la NASA realizó pruebas en actuadores de PZT durante hasta 100 mil millones de ciclos durante 580 días y no reveló daño discernible o declive sustancial en el rendimiento, se espera que la parte del dispositivo que genera ultrasonido sea muy duradera.
Sin embargo, el diseño utilizado en este experimento es relativamente ineficiente para convertir potencia en ultrasonido, con solo 17 a 19% de eficiencia.
Un dispositivo de transductor piezoeléctrico de matriz compuesta 1-3, en lugar de un solo actuador en forma de anillo, podría alcanzar una eficiencia del 35% en su lugar.
Los ultrasonidos más grandes basados en PZT también podrían ser mucho más eficientes que el dispositivo experimental pequeño probado aquí. Así que, en general, una eficiencia de 1.000% o más podría estar al alcance cuando se calibra y mejora el material de PZT utilizado.
Hacia torres generadoras de agua!
Otra mejora importante es que la extracción ultrasónica no requiere exponer la superficie del sorbente a la luz solar. Por lo tanto, los dispositivos pueden apilarse verticalmente uno sobre otro sin limitaciones en principio para el número de filas verticales.
En lugar de un campo grande para absorber la luz solar, se podrían construir torres grandes que fluyan agua desde cada dispositivo apilado para diseños más centralizados.
Empresas que resuelven la escasez de agua
Xylem Inc.
(XYL )
Estudio referenciado
1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. Recolectar agua atmosférica de alta eficiencia habilitada por extracción ultrasónica. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2
