Dispositivo que extrae agua potable del aire húmedo.
AWG de última generación para uso doméstico.
Un generador de agua atmosférica ( AWG , por sus siglas en inglés) es un dispositivo que extrae agua del aire húmedo del ambiente, produciendo agua potable . El vapor de agua en el aire se puede extraer ya sea por condensación (enfriando el aire por debajo de su punto de rocío ), exponiendo el aire a desecantes , utilizando membranas que solo dejan pasar el vapor de agua, recolectando niebla [1] o presurizando el aire. Los AWG son útiles donde es difícil obtener agua potable, porque el agua siempre está presente en el aire ambiente.
El AWG puede requerir un importante aporte de energía o funcionar de forma pasiva, dependiendo de las diferencias naturales de temperatura . Los estudios de biomimetismo han demostrado que el escarabajo Onymacris unguicularis tiene la capacidad de realizar esta tarea. [2]
Un estudio informó que los AWG podrían ayudar a proporcionar agua potable a mil millones de personas. [3] [4] [5]
Los incas pudieron mantener su cultura por encima de la línea de lluvia recolectando rocío y canalizándolo hacia cisternas . [6] Los registros indican que usaban vallas de niebla para recolectar agua . Estos métodos tradicionales eran pasivos, no empleaban ninguna fuente de energía externa y dependían de las variaciones de temperatura que ocurrían naturalmente. [ cita requerida ]
En 2022, se demostró un desecante a base de celulosa / goma konjac que producía 13 L/kg/día (1,56 galones estadounidenses/lb/día) de agua con una humedad del 30 %, y 6 L/kg/día (0,72 galones estadounidenses/lb/día) con una humedad del 15 %. El desecante libera el agua cuando se calienta a 60 °C (140 °F). [9] [7]
En 2024, los investigadores anunciaron un dispositivo que utilizaba aletas verticales espaciadas a 2 mm (0,08 pulgadas) de distancia. Las aletas son láminas de cobre, envueltas en espumas de cobre recubiertas con una zeolita . El agua se libera cuando las láminas de cobre se calientan a 184 °C (363 °F). Las aletas se saturan en aire con un 30% de humedad una vez por hora. Calentada cada hora, la cosechadora puede producir 5,8 L (1,5 gal)/día por kilogramo (2,2 lb) de material. [6] [8]
Tecnologías
Los sistemas basados en refrigeración son los más comunes, mientras que los sistemas higroscópicos muestran resultados prometedores. Los sistemas híbridos combinan adsorción , refrigeración y condensación. [10] [11] Los pozos de aire son otra forma de recolectar humedad de forma pasiva.
Condensación de enfriamiento
Ejemplo de proceso de enfriamiento-condensación.
Los sistemas de condensación son el método más común. Utilizan un compresor para hacer circular el refrigerante a través de un condensador y un serpentín evaporador para enfriar el aire circundante. Una vez que el aire alcanza su punto de rocío , el agua se condensa en el colector. Un ventilador empuja el aire filtrado sobre el serpentín. Un sistema de purificación/filtración elimina los contaminantes y reduce el riesgo que suponen los microorganismos ambientales. [12]
La tasa de producción de agua depende de la temperatura ambiente, la humedad, el volumen de aire que pasa por la bobina y la capacidad de enfriamiento de la máquina. Los AWG se vuelven más efectivos a medida que aumentan la humedad relativa y la temperatura del aire. Como regla general, los AWG de condensación de enfriamiento no funcionan de manera eficiente cuando la temperatura ambiente cae por debajo de los 65 °F (18 °C) o la humedad relativa cae por debajo del 30%.
El efecto Peltier de los materiales semiconductores ofrece un sistema de condensación alternativo en el que un lado del material semiconductor se calienta mientras el otro lado se enfría. En este enfoque, el aire se envía a través de los ventiladores de refrigeración del lado de refrigeración, lo que reduce la temperatura del aire. Los semiconductores de estado sólido son convenientes para unidades portátiles, pero esto se ve contrarrestado por una baja eficiencia y un alto consumo de energía. [13]
La generación se puede mejorar en condiciones de baja humedad utilizando un enfriador evaporativo con un suministro de agua salobre para aumentar la humedad. Los invernaderos son un caso especial porque el aire interior es más cálido y húmedo. Algunos ejemplos incluyen el invernadero de agua de mar en Omán y el invernadero IBTS .
Los acondicionadores de aire deshumidificadores producen agua no potable. El serpentín del evaporador, relativamente frío (por debajo del punto de rocío), condensa el vapor de agua del aire procesado.
Cuando funciona con electricidad a base de carbón, tiene una de las peores huellas de carbono de cualquier fuente de agua (superando a la desalinización de agua de mar por ósmosis inversa en tres órdenes de magnitud ) y requiere más de cuatro veces más agua en la cadena de suministro de la que entrega al usuario. [14]
Higroscopia
Las técnicas higroscópicas extraen agua del aire mediante absorción o adsorción , lo que deseca el aire. Los desecantes pueden ser líquidos ("húmedos") o sólidos. Deben regenerarse (normalmente de forma térmica) para recuperar el agua.
El método más eficiente y sostenible es utilizar un refrigerador de adsorción alimentado por energía solar térmica , que supera a los sistemas alimentados con energía fotovoltaica . [15] Estos sistemas pueden utilizar el calor residual, por ejemplo, para bombear o para el funcionamiento nocturno, cuando la humedad tiende a aumentar.
En 2024, una tecnología de recolección de agua atmosférica basada en sorción que utiliza un lecho de adsorción de matriz de aletas alimentado por calor residual de alta densidad demostró 5,8 litros por kg de sorbente por día con una humedad del 30 % a través de un lecho adsorbente de 1 l y adsorbentes comerciales. [16]
La salmuera concentrada puede servir como desecante. La salmuera absorbe agua, que luego se extrae y se purifica. Algunas versiones producen 5 galones de agua por galón de combustible. [19] La salmuera concentrada, que se hace pasar por el exterior de las torres, absorbe vapor de agua. Luego, la salmuera ingresa a una cámara, bajo un vacío parcial , y se calienta, liberando vapor de agua que se condensa y se recolecta. A medida que el agua condensada se elimina del sistema mediante la gravedad, crea un vacío que reduce el punto de ebullición de la salmuera. El sistema puede funcionar con energía solar pasiva . [20]
Los hidrogeles pueden capturar humedad (por ejemplo, durante la noche en un desierto) para enfriar paneles solares [21] o producir agua dulce. [22] [23] Una aplicación es regar cultivos ubicando el hidrogel junto a [24] [25] sistemas integrados de paneles solares o debajo de los paneles. [26] [27] [28] [29] [30] [31]
Desecantes sólidos
El gel de sílice y la zeolita desecan el aire presurizado. [32] Un dispositivo consume 310 vatios-hora (1100 kJ) por litro de agua. Utiliza una estructura de metal-orgánico de circonio /orgánico sobre una base de cobre poroso, adherida a un sustrato de grafito. El sol calienta el grafito, liberando el agua, que luego lo enfría. [33]
Pilas de combustible
Un automóvil con pila de combustible de hidrógeno genera un litro de agua potable por cada 8 millas (12,87 kilómetros) recorridas al combinar hidrógeno con oxígeno ambiental. [34]
Hidropanel
Se puede generar agua potable mediante paneles solares instalados en los tejados, utilizando energía solar y calor solar. [35] [36] [37]
La energía mínima para la captación de agua atmosférica [1]
Energía
A menos que el aire esté sobresaturado de humedad, se requiere energía para extraer agua de la atmósfera. La energía requerida es una función de la humedad y la temperatura. Se puede calcular utilizando la energía libre de Gibbs .
^ ab Rao, Akshay K.; Fix, Andrew J.; Yang, Yun Chi; Warsinger, David M. (2022). "Límites termodinámicos de la recolección de agua atmosférica". Ciencia ambiental y energética . 15 (10). Royal Society of Chemistry (RSC): 4025–4037. doi :10.1039/d2ee01071b. ISSN 1754-5692. S2CID 252252878.
^ Nørgaard, Thomas; Dacke, Marie (16 de julio de 2010). "Comportamiento de asoleamiento en la niebla y eficiencia de recolección de agua en los escarabajos oscuros del desierto de Namib". Frontiers in Zoology . 7 (1): 23. doi : 10.1186/1742-9994-7-23 . ISSN 1742-9994. PMC 2918599 . PMID 20637085.
^ Yirka, Bob. "Un modelo sugiere que mil millones de personas podrían obtener agua potable segura gracias a un hipotético dispositivo de recolección". Tech Xplore . Consultado el 15 de noviembre de 2021 .
^ "Las cosechadoras alimentadas con energía solar podrían producir agua limpia para mil millones de personas". Physics World . 13 de noviembre de 2021 . Consultado el 15 de noviembre de 2021 .
^ Lord, Jackson; Thomas, Ashley; Treat, Neil; Forkin, Matthew; Bain, Robert; Dulac, Pierre; Behroozi, Cyrus H.; Mamutov, Tilek; Fongheiser, Jillia; Kobilansky, Nicole; Washburn, Shane; Truesdell, Claudia; Lee, Clare; Schmaelzle, Philipp H. (octubre de 2021). "Potencial global para la recolección de agua potable del aire mediante energía solar". Nature . 598 (7882): 611–617. Bibcode :2021Natur.598..611L. doi :10.1038/s41586-021-03900-w. ISSN 1476-4687. PMC 8550973 . PMID 34707305. S2CID 238014057.
^ ab "Agua II". foresightfordevelopment.org . Foresight For Development . Consultado el 29 de marzo de 2022 .
^ ab Totty, Michael (24 de septiembre de 2007). "Innovaciones para la vida: premios". www.wsj.com . Consultado el 24 de mayo de 2022 .
^ ab Tucker, Patrick (8 de febrero de 2021). "El ejército quiere producir agua a partir del aire. Aquí está la ciencia que lo respalda". www.defenseone.com . Defense One . Consultado el 13 de febrero de 2021 .
^ Irving, Michael (24 de mayo de 2022). "Una película de gel barata extrae cubos de agua potable al día del aire". New Atlas . Consultado el 4 de junio de 2022 .
^ Fraunhofer. Fraunhofer (2014) Archivado el 12 de octubre de 2016 en Wayback Machine.
^ "La innovación crea olas extrayendo agua del aire". Universidad Simon Fraser. 25 de abril de 2016.
^ La última aventura de Willie Nelson: Agua del aire. Atlanta Journal-Constitution.
^ "Detectores de estado sólido: descripción general | Temas de ScienceDirect" www.sciencedirect.com . Consultado el 2 de junio de 2022 .
^ Peters, Greg M.; Blackburn, Naomi J.; Armedion, Michael (junio de 2013). "Evaluación ambiental de máquinas de aire a agua: triangulación para gestionar la incertidumbre del alcance". Revista internacional de evaluación del ciclo de vida . 18 (5): 1149–1157. Bibcode :2013IJLCA..18.1149P. doi :10.1007/s11367-013-0568-2. ISSN 0948-3349. S2CID 111347244.
^ Alobaid, Mohammad; Hughes, Ben; Calautit, John Kaiser; O'Connor, Dominic; Heyes, Andrew (2017). "Una revisión de la refrigeración por absorción impulsada por energía solar con sistemas térmicos fotovoltaicos" (PDF) . Renewable and Sustainable Energy Reviews . 76 : 728–742. doi :10.1016/j.rser.2017.03.081.
^ Li, Xiangyu; El Fil, Bachir; Li, Buxuan; Graeber, Gustav; Li, Adela C.; Zhong, Yang; Alshrah, Mohammed; Wilson, Chad T.; Lin, Emily (12 de julio de 2024). "Diseño de un recolector de agua atmosférica multicíclico compacto de alto rendimiento para entornos áridos". ACS Energy Letters . 9 (7): 3391–3399. doi :10.1021/acsenergylett.4c01061. ISSN 2380-8195. PMC 11250079 . PMID 39022669.
^ Chartrand, Sabra (2001-07-02). "Patentes; extrae agua del aire, mide la cantidad de agua que bebes y sé amable con los peces que pescas". The New York Times . ISSN 0362-4331 . Consultado el 24 de mayo de 2022 .
^ Su, Wei; Lu, Zhifei; She, Xiaohui; Zhou, Junming; Wang, Feng; Sun, Bo; Zhang, Xiaosong (febrero de 2022). "Regeneración de desecante líquido para aire acondicionado avanzado: una revisión exhaustiva sobre materiales desecantes, regeneradores, sistemas y tecnologías de mejora". Applied Energy . 308 : 118394. Bibcode :2022ApEn..30818394S. doi :10.1016/j.apenergy.2021.118394.
^ Greenfieldboyce, Nell (19 de octubre de 2006). "Agua extraída del aire para ayuda en caso de desastre". NPR.org . Consultado el 5 de mayo de 2022 .
^ Fraunhofer-Gesellschaft (8 de junio de 2009). «Beber agua a partir de la humedad del aire». ScienceDaily . Consultado el 5 de mayo de 2022 .
^ "El hidrogel ayuda a fabricar paneles solares que se enfrían solos". Physics World . 12 de junio de 2020 . Consultado el 28 de abril de 2022 .
^ Youhong Guo; W. Guan; C. Lei; H. Lu; W. Shi; Guihua Yu (2022). "Películas poliméricas superhigroscópicas escalables para la recolección de humedad sostenible en entornos áridos". Nature Communications . 13 (1): 2761. Bibcode :2022NatCo..13.2761G. doi :10.1038/s41467-022-30505-2. PMC 9120194 . PMID 35589809. S2CID 248917548.
^ Shi, Ye; Ilic, Ognjen; Atwater, Harry A.; Greer, Julia R. (14 de mayo de 2021). "Recolección de agua dulce durante todo el día mediante membranas de hidrogel microestructuradas". Nature Communications . 12 (1): 2797. Bibcode :2021NatCo..12.2797S. doi :10.1038/s41467-021-23174-0. ISSN 2041-1723. PMC 8121874 . PMID 33990601. S2CID 234596800.
^ "SmartFarm autónomo cultiva plantas utilizando agua extraída del aire". New Atlas . 15 de abril de 2021 . Consultado el 28 de abril de 2022 .
^ Yang, Jiachen; Zhang, Xueping; Qu, Hao; Yu, Zhi Gen; Zhang, Yaoxin; Eey, Tze Jie; Zhang, Yong-Wei; Tan, Swee Ching (octubre de 2020). "Un complejo de cobre hambriento de humedad que recolecta la humedad del aire para agua potable y agricultura urbana autónoma". Materiales avanzados . 32 (39): 2002936. Bibcode :2020AdM....3202936Y. doi :10.1002/adma.202002936. ISSN 0935-9648. PMID 32743963. S2CID 220946177.
^ "Estos paneles solares absorben vapor de agua para cultivar en el desierto". Cell Press . Consultado el 18 de abril de 2022 .
^ Ravisetti, Monisha. "Nuevo diseño de panel solar aprovecha energía desperdiciada para generar agua a partir del aire". CNET . Consultado el 28 de abril de 2022 .
^ "Strom und Wasser aus Sonne und Wüstenluft". cinexx | Das Wissensmagazin (en alemán). 2 de marzo de 2022 . Consultado el 28 de abril de 2022 .
^ "Un sistema híbrido produce electricidad y agua de riego en el desierto". Nuevo Atlas . 1 de marzo de 2022 . Consultado el 28 de abril de 2022 .
^ Schank, Eric (8 de marzo de 2022). "Cómo hacer que el desierto se vuelva verde: este sistema de paneles solares produce agua (y cultiva alimentos) a partir del aire". Salon . Consultado el 28 de abril de 2022 .
^ Li, Renyuan; Wu, Mengchun; Aleid, Sara; Zhang, Chenlin; Wang, Wenbin; Wang, Peng (16 de marzo de 2022). "Un sistema integrado impulsado por energía solar produce electricidad con agua dulce y cultivos en regiones áridas". Cell Reports Physical Science . 3 (3): 100781. Bibcode :2022CRPS....300781L. doi :10.1016/j.xcrp.2022.100781. hdl : 10754/676557 . ISSN 2666-3864. S2CID 247211013.
^ Patel, Prachi. "Un dispositivo alimentado con energía solar extrae agua del aire enrarecido (y bastante seco)". IEEE . Consultado el 13 de abril de 2017 .
^ Hamilton, Anita (24 de abril de 2014). "Este dispositivo produce litros de agua potable a partir del aire". Time.com . Consultado el 24 de mayo de 2022 .
^ "Toyota Mirai Fuel-Cell Sedan 2016" . Consultado el 28 de agosto de 2016 .
^ "Nuevos paneles solares hidroeléctricos instalados en los tejados recolectan agua potable y energía al mismo tiempo". 29 de noviembre de 2017. Consultado el 30 de noviembre de 2017 .
^ LaPotin, Alina; Zhong, Yang; Zhang, Lenan; Zhao, Lin; Leroy, Arny; Kim, Hyunho; Rao, Sameer R.; Wang, Evelyn N. (20 de enero de 2021). "Dispositivo de recolección de agua atmosférica de doble etapa para la producción de agua escalable impulsada por energía solar". Joule . 5 (1): 166–182. doi : 10.1016/j.joule.2020.09.008 . ISSN 2542-4785. S2CID 225118164. Artículo de noticias: «Un sistema alimentado con energía solar extrae agua potable del aire 'seco'». Instituto Tecnológico de Massachusetts . Consultado el 28 de abril de 2022 .
^ "Sistemas de purificación de agua alimentados con energía solar y de lluvia" . Consultado el 21 de octubre de 2017 .
