Estudio romano/Getty Images
Nuestra atmósfera contiene seis veces más agua que la que encontrarás en todos los ríos de la Tierra. Las gotas de rocío que se ven en el pasto y las gotas de agua en una botella de jugo frío son evidencia de este depósito natural de agua. A pesar de su ubicuidad, 2 mil millones de personas en la Tierra todavía no tienen acceso a agua potable.
Una técnica llamada recolección de agua atmosférica (AWH) puede permitirnos extraer parte de esta agua dulce del aire. Pero hay varios desafíos que nos han impedido implementar AWH a gran escala. Para crear un sistema AWH eficaz y continuo, los científicos deben garantizar dos cosas. La primera es que la absorción de agua del aire es totalmente reversible, de modo que se puede recuperar el agua para su uso.
El segundo es la gestión eficiente del calor residual. Cuando un sistema AWH captura agua del aire, la condensación del agua libera calor. Si este exceso de calor no se procesa con cuidado, puede interferir con todo el proceso. Sin embargo, parece que ahora estamos más cerca de una solución. Inspirándose en la estructura de las hojas de las plantas, un equipo de investigadores en China ha creado un aerogel estructural basado en nanofibras de celulosa (llamado Core-Shell@CNF para abreviar) que promete superar estos desafíos.
No sólo funciona utilizando únicamente la luz solar, sino que también produce electricidad.
Producir agua dulce de la nada
El Core-Shell@CNF viene con un núcleo hidrofílico (atrae moléculas de agua) y una cubierta hidrofóbica (tiende a repeler el agua). El primero comprende partículas de LiCl, que son excelentes para absorber agua y funcionan como sorbentes. Este último contiene partículas de negro de humo y tiene un revestimiento de polidimetilsiloxano o PDMS resistente al agua. Este diseño en capas se inspira en las hojas de las plantas que también «muestran estructuras núcleo-cáscara bien diseñadas donde la cutícula de la hoja protege el tejido mesófilo interior de la deshidratación y la oxidación, mientras que los estomas permiten el libre transporte de moléculas de agua gaseosas», señalan los autores del estudio.
El proceso AWH comienza con la absorción de agua en el aerogel durante la noche. Cuando el aire, junto con el vapor de agua, atraviesa el material, sus grandes poros permiten que las moléculas de agua alcancen las partículas de LiCl del interior, que las absorben. A medida que entra más y más agua, las sales hidratadas se convierten en una película líquida y luego en una solución salada. Mientras tanto, la capa hidrofóbica externa evita que el agua líquida se filtre al exterior. Esta combinación ayuda al Core-Shell@CNF a seguir recolectando agua.
Durante el día, las partículas de negro de humo absorben la luz solar y se calientan rápidamente. Como resultado, la temperatura dentro del aerogel aumenta y la solución salada comienza a liberar vapor de agua, volviendo a formar la sal original. Debido a la capacidad del carbono para absorber rápidamente la luz solar y convertirla en energía térmica, el aerogel puede liberar agua rápidamente. La estructura porosa del carbono también ayuda a transferir calor y moléculas de agua, lo que hace que el proceso de desorción sea eficaz.
Los investigadores realizaron múltiples ciclos de absorción-desorción para probar los límites de su material AWH y lograr la máxima eficiencia. Esto llevó a varias mejoras en el diseño de su material; por ejemplo, la estructura final del aerogel tiene menos poros y paredes externas 10 veces más gruesas que la original. Gracias a estos cambios, “incluso bajo [pressure]el CB-PDMS@CNF podría impedir la penetración del agua, mostrando buena hidrofobicidad y resistencia mecánica”, señalan los investigadores.
La fuerte capa hidrofóbica también es excelente para mantener limpio el aerogel, ya que separa las partículas de polvo o los contaminantes que acompañan a las moléculas de agua. Cuando los investigadores probaron el aerogel en un ambiente al aire libre durante 24 horas, cada kilogramo de material pudo recolectar un poco bajo un gramo de agua dulce. Si bien los investigadores esperan aumentar la eficiencia, el agua en sí estaba lista para beber. “Los resultados de la prueba de espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) indicaron que el agua recolectada cumplía con los requisitos de agua potable de la Organización Mundial de la Salud (OMS) y la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA)”, agregaron.