Un pozo de aire o pozo aéreo es una estructura o dispositivo que recoge agua promoviendo la condensación de la humedad del aire. [1] Los diseños de pozos de aire son muchos y variados, pero los diseños más simples son completamente pasivos, no requieren ninguna fuente de energía externa y tienen pocas partes móviles, si es que tienen alguna.
Se utilizan tres diseños principales para pozos de aire, denominados de alta masa, radiativos y activos:
Todos los diseños de pozos de aire incorporan un sustrato con una temperatura lo suficientemente baja como para que se forme rocío . El rocío es una forma de precipitación que se produce de forma natural cuando el vapor de agua atmosférico se condensa sobre un sustrato. Se diferencia de la niebla en que la niebla está formada por gotitas de agua que se condensan alrededor de partículas en el aire. [4] La condensación libera calor latente que debe disiparse para que continúe la recolección de agua. [5]
Un pozo de aire requiere humedad del aire. En todas partes de la Tierra, incluso en los desiertos, la atmósfera circundante contiene al menos algo de agua. Según Beysens y Milimouk: "La atmósfera contiene 12.900 kilómetros cúbicos (3.100 millas cúbicas) de agua dulce, compuesta por un 98 por ciento de vapor de agua y un 2 por ciento de agua condensada ( nubes ): una cifra comparable a los recursos de agua líquida renovable de las tierras habitadas (12.500 km 3 ) ". [4] La cantidad de vapor de agua contenida en el aire se informa comúnmente como humedad relativa , esto depende de la temperatura, el aire más cálido contiene más vapor de agua que el aire más frío. Cuando el aire se enfría hasta el punto de rocío , se satura y la humedad se condensará en una superficie adecuada. [6] Por ejemplo, la temperatura del punto de rocío del aire a 20 °C (68 °F) y una humedad relativa del 80 por ciento es de 16 °C (61 °F). La temperatura del punto de rocío desciende a 9 °C (48 °F) si la humedad relativa es del 50 por ciento. [4]
Una técnica relacionada, pero bastante distinta, para obtener humedad atmosférica es la valla de niebla .
Un pozo de aire no debe confundirse con un estanque de rocío . Un estanque de rocío es un estanque artificial destinado a abrevar al ganado. El nombre estanque de rocío (a veces estanque de nubes o estanque de niebla ) deriva de la creencia generalizada de que el estanque se llenaba con la humedad del aire. [7] De hecho, los estanques de rocío se llenan principalmente con agua de lluvia. [8]
Un mantillo de piedra puede aumentar significativamente el rendimiento de los cultivos en zonas áridas . Este es el caso más notable en las Islas Canarias : en la isla de Lanzarote hay alrededor de 140 milímetros (5,5 pulgadas) de lluvia cada año y no hay ríos permanentes. A pesar de esto, se pueden producir cultivos sustanciales utilizando un mantillo de piedras volcánicas, un truco descubierto después de las erupciones volcánicas en 1730. Algunos atribuyen al mantillo de piedra la promoción del rocío; aunque la idea ha inspirado a algunos pensadores, parece poco probable que el efecto sea significativo. Más bien, las plantas pueden absorber el rocío directamente de sus hojas, y el principal beneficio de un mantillo de piedra es reducir la pérdida de agua del suelo y eliminar la competencia de las malas hierbas. [9]
A principios del siglo XX, varios inventores experimentaron con colectores de gran masa. Entre los investigadores más destacados se encuentran el ingeniero ruso Friedrich Zibold (a veces conocido como Friedrich Siebold [10] ), el bioclimatólogo francés Leon Chaptal, el investigador germano-australiano Wolf Klaphake y el inventor belga Achille Knapen .
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En 1900, cerca del sitio de la antigua ciudad bizantina de Theodosia , Zibold, que era un ingeniero forestal a cargo del área, descubrió trece grandes montones de piedras . [12] Cada montón de piedras cubría poco más de 900 metros cuadrados (9700 pies cuadrados) y tenía unos 10 metros (33 pies) de altura. Los hallazgos estaban asociados con los restos de tuberías de terracota de 75 milímetros de diámetro (3,0 pulgadas) que aparentemente conducían a pozos y fuentes de la ciudad. Zibold concluyó que las pilas de piedra eran condensadores que suministraban agua a Theodosia [13] y calculó que cada pozo de aire producía más de 55 400 litros (12 200 galones imperiales; 14 600 galones estadounidenses) cada día. [14]
Para verificar su hipótesis, Zibold construyó un condensador de piedras apiladas a una altitud de 288 metros (945 pies) en el monte Tepe-Oba, cerca del antiguo sitio de Theodosia. El condensador de Zibold estaba rodeado por una pared de 1 metro (3 pies 3 pulgadas) de alto, 20 metros (66 pies) de ancho, alrededor de un área de recolección en forma de cuenco con drenaje. Utilizó piedras marinas de 10 a 40 centímetros (3,9 a 15,7 pulgadas) de diámetro apiladas a 6 metros (20 pies) de alto en un cono truncado que tenía 8 metros (26 pies) de diámetro en la parte superior. La forma de la pila de piedras permitió un buen flujo de aire con un contacto térmico mínimo entre las piedras. [3]
El condensador de Zibold comenzó a funcionar en 1912 con una producción diaria máxima que luego se estimó en 360 litros (79 gal imp; 95 gal EE. UU.); Zibold no hizo ningún registro público de sus resultados en ese momento. [10] La base desarrolló fugas que obligaron a finalizar el experimento en 1915 y el sitio fue desmantelado parcialmente antes de ser abandonado. (El sitio fue redescubierto en 1993 y limpiado). [3] El condensador de Zibold era aproximadamente del mismo tamaño que las antiguas pilas de piedra que se habían encontrado, [3] y aunque el rendimiento fue mucho menor que el rendimiento que Zibold había calculado para las estructuras originales, el experimento fue una inspiración para los desarrolladores posteriores.
Inspirado por el trabajo de Zibold, Chaptal construyó un pequeño pozo de aire cerca de Montpellier en 1929. El condensador de Chaptal era una estructura piramidal de hormigón de 3 metros cuadrados y 2,5 metros de alto, que se llenaba con 8 metros cúbicos de piezas de piedra caliza de unos 7,5 centímetros de diámetro. Pequeños orificios de ventilación rodeaban la parte superior e inferior de la pirámide. Estos orificios se podían cerrar o abrir según fuera necesario para controlar el flujo de aire. Se dejaba enfriar la estructura durante la noche y luego se dejaba entrar aire cálido y húmedo durante el día. El rocío se formaba sobre las piezas de piedra caliza y se acumulaba en un depósito bajo el nivel del suelo. La cantidad de agua obtenida variaba de 1 litro (0,22 gal imp; 0,26 gal EE.UU.) a 2,5 litros (0,55 gal imp; 0,66 gal EE.UU.) por día dependiendo de las condiciones atmosféricas. [15]
Chaptal no consideró que su experimento fuera un éxito. Cuando se jubiló en 1946, puso fuera de servicio el condensador, posiblemente porque no quería dejar una instalación inadecuada que pudiera confundir a quienes más tarde pudieran continuar los estudios sobre pozos de aire. [2]
Wolf Klaphake fue un químico de éxito que trabajó en Berlín durante las décadas de 1920 y 1930. Durante ese tiempo, probó varias formas de pozos de aire en Yugoslavia y en la isla de Vis en el mar Adriático . El trabajo de Klaphake se inspiró en Zibold [16] y en las obras de Maimónides , un conocido erudito judío que escribió en árabe hace unos 1000 años y que mencionó el uso de condensadores de agua en Palestina. [3]
Klaphake experimentó con un diseño muy simple: se despejó una zona de la ladera de la montaña y se alisó con una superficie impermeable. Se le dio sombra con un dosel simple sostenido por pilares o crestas. Los lados de la estructura estaban cerrados, pero los bordes superior e inferior se dejaron abiertos. Por la noche, la ladera de la montaña se enfriaba y durante el día la humedad se acumulaba y corría por la superficie alisada. Aunque el sistema aparentemente funcionó, era caro, y Klaphake finalmente adoptó un diseño más compacto basado en una estructura de mampostería. Este diseño era un edificio con forma de pan de azúcar , de unos 15 metros (49 pies) de altura, con paredes de al menos 2 metros (6 pies 7 pulgadas) de espesor, con agujeros en la parte superior e inferior. La pared exterior estaba hecha de hormigón para darle una alta capacidad térmica, y la superficie interior estaba hecha de un material poroso como la piedra arenisca. [17] Según Klaphake:
El edificio produce agua durante el día y se enfría por la noche; cuando sale el sol, el aire caliente es aspirado por los agujeros superiores hacia el interior del edificio por el aire más frío que sale, se enfría en la superficie fría, deposita su agua, que luego rezuma hacia abajo y se acumula en algún lugar debajo. Es un error pensar que este proceso solo funciona en días con rocío, ya que la superficie interior se enfría mucho más de lo que cabría esperar. En Dalmacia, ese día fue una rara excepción en el que no se produjo agua. [16]
Se han identificado provisionalmente rastros de los condensadores de Klaphake. [18]
En 1935, Wolf Klaphake y su esposa Maria emigraron a Australia. La decisión de los Klaphake de emigrar probablemente fue principalmente el resultado de los encuentros de Maria con las autoridades nazis; [19] [20] su decisión de establecerse en Australia (en lugar de, por ejemplo, en Gran Bretaña) estuvo influenciada por el deseo de Wolf de desarrollar un condensador de rocío. [20] Como continente seco, era probable que Australia necesitara fuentes alternativas de agua dulce, y el primer ministro de Australia del Sur , a quien había conocido en Londres, había expresado su interés. Klaphake hizo una propuesta específica para un condensador en la pequeña ciudad de Cook , donde no había suministro de agua potable. En Cook, la compañía ferroviaria había instalado previamente un gran condensador activo alimentado con carbón, [21] pero era prohibitivamente caro de operar y era más barato simplemente transportar agua. Sin embargo, el gobierno australiano rechazó la propuesta de Klaphake y perdió el interés en el proyecto. [22] [16]
Knapen, que había trabajado anteriormente en sistemas para eliminar la humedad de los edificios, [23] [24] [25] se inspiró a su vez en el trabajo de Chaptal y se propuso construir un ambiciosamente grande puits aerien (pozo aéreo) en una colina de 180 metros (590 pies) de altura en Trans-en-Provence, en Francia. [1] [26] A partir de 1930, la torre de rocío de Knapen tardó 18 meses en construirse; todavía se mantiene en pie hoy en día, aunque en estado ruinoso. En el momento de su construcción, el condensador despertó cierto interés público. [27]
La torre tiene 14 metros de alto y paredes de mampostería maciza de unos 3 metros de espesor con varias aberturas para dejar entrar el aire. En el interior hay una enorme columna de hormigón. Por la noche, se deja enfriar toda la estructura y, durante el día, el aire cálido y húmedo entra en la estructura a través de las aberturas altas, se enfría, desciende y sale del edificio por las aberturas inferiores. [28] La intención de Knapen era que el agua se condensara en la columna interior fría. De acuerdo con el hallazgo de Chaptal de que la superficie de condensación debe ser rugosa y la tensión superficial debe ser lo suficientemente baja como para que el agua condensada pueda gotear, la superficie exterior de la columna central se cubrió con placas salientes de pizarra . Las pizarras se colocaron casi verticalmente para fomentar el goteo hacia un recipiente colector en la parte inferior de la estructura. [3] Desafortunadamente, el pozo aéreo nunca logró nada parecido al rendimiento esperado y no produjo más que unos pocos litros de agua por día. [29]
A finales del siglo XX, se comprendía mucho mejor la mecánica de la condensación del rocío. La idea clave era que los colectores de baja masa, que pierden rápidamente calor por radiación, son los que mejor funcionan. Varios investigadores trabajaron en este método. [30] A principios de los años 60, en Israel se utilizaban condensadores de rocío hechos con láminas de polietileno sostenidas sobre un armazón sencillo parecido a una carpa para regar las plantas. Los árboles jóvenes que recibían rocío y una lluvia muy ligera de estos colectores sobrevivían mucho mejor que el grupo de control plantado sin tales ayudas: todos se secaron durante el verano. [31] En 1986, en Nuevo México, los condensadores hechos con una lámina especial produjeron suficiente agua para abastecer a los árboles jóvenes. [4]
En 1992, un grupo de académicos franceses asistió a una conferencia sobre materia condensada en Ucrania , donde el físico Daniel Beysens les presentó la historia de cómo la antigua Teodosia se abastecía de agua mediante condensadores de rocío. Quedaron tan intrigados que en 1993 fueron a verlo por sí mismos. Llegaron a la conclusión de que los montículos que Zibold identificó como condensadores de rocío eran, de hecho, antiguos túmulos funerarios (una parte de la necrópolis de la antigua Teodosia) y que las tuberías eran de origen medieval y no estaban asociadas con la construcción de los montículos. Encontraron los restos del condensador de Zibold, que ordenaron y examinaron de cerca. El condensador de Zibold aparentemente había funcionado razonablemente bien, pero en realidad sus resultados exactos no están del todo claros, y es posible que el colector estuviera interceptando niebla, lo que aumentó significativamente el rendimiento. [10] Si el condensador de Zibold funcionó, probablemente se debió al hecho de que unas pocas piedras cerca de la superficie del montículo podían perder calor durante la noche mientras estaban aisladas térmicamente del suelo; sin embargo, nunca podría haber producido el rendimiento que Zibold imaginó. [2] [32]
Lleno de entusiasmo, el partido regresó a Francia y creó la Organización Internacional para la Utilización del Rocío (OPUR), con el objetivo específico de hacer que el rocío estuviera disponible como fuente alternativa de agua. [33]
OPUR comenzó un estudio de la condensación del rocío en condiciones de laboratorio; desarrollaron una película hidrófoba especial y experimentaron con instalaciones de prueba, incluido un colector de 30 metros cuadrados (320 pies cuadrados) en Córcega . [34] Las ideas vitales incluyeron la idea de que la masa de la superficie de condensación debería ser lo más baja posible para que no pueda retener fácilmente el calor, que debería estar protegida de la radiación térmica no deseada por una capa de aislamiento y que debería ser hidrófoba, para eliminar la humedad condensada fácilmente. [35]
Cuando estaban listos para su primera instalación práctica, se enteraron de que uno de sus miembros, Girja Sharan, había obtenido una subvención para construir un condensador de rocío en Kothara, India. En abril de 2001, Sharan había notado casualmente una importante condensación en el techo de una cabaña en Toran Beach Resort, en la árida región costera de Kutch , donde se alojaba brevemente. Al año siguiente, investigó el fenómeno más de cerca y entrevistó a la población local. Financiados por la Agencia de Desarrollo Energético de Gujarat y el Banco Mundial , Sharan y su equipo continuaron desarrollando condensadores pasivos y radiativos para su uso en la árida región costera de Kutch. [36] La comercialización activa comenzó en 2006. [37]
Sharan probó una amplia gama de materiales y obtuvo buenos resultados con láminas de hierro galvanizado y aluminio , pero descubrió que las láminas de plástico especial desarrollado por la OPUR de solo 400 micrómetros (0,016 pulgadas) de espesor generalmente funcionaban incluso mejor que las láminas de metal y eran menos costosas. [38] La película de plástico, conocida como lámina OPUR, es hidrófila y está hecha de polietileno mezclado con dióxido de titanio y sulfato de bario .
Existen tres enfoques principales para el diseño de los disipadores de calor que recogen la humedad en los pozos de aire: de gran masa, radiativos y activos. A principios del siglo XX, hubo interés en los pozos de aire de gran masa, pero a pesar de mucha experimentación, incluida la construcción de estructuras masivas, este enfoque resultó ser un fracaso. [39]
Desde finales del siglo XX en adelante, se han realizado muchas investigaciones sobre colectores radiativos de baja masa ; estos han demostrado ser mucho más exitosos. [40]
El diseño del pozo de aire de gran masa intenta enfriar una gran masa de mampostería con aire frío nocturno que ingresa a la estructura debido a las brisas o la convección natural. Durante el día, el calor del sol produce un aumento de la humedad atmosférica. Cuando el aire húmedo diurno ingresa al pozo de aire, se condensa en la mampostería, que se presume fría. Ninguno de los colectores de gran masa tuvo un buen desempeño, siendo el pozo aéreo de Knapen un ejemplo particularmente notable.
El problema con los colectores de gran masa era que no podían eliminar suficiente calor durante la noche, a pesar de las características de diseño destinadas a garantizar que esto sucediera. [3] Si bien algunos pensadores han creído que Zibold podría haber estado en lo cierto después de todo, [41] [42] un artículo en Journal of Arid Environments analiza por qué los diseños de condensadores de gran masa de este tipo no pueden producir cantidades útiles de agua:
Nos gustaría destacar el siguiente punto: para obtener condensación, la temperatura del condensador de las piedras debe ser inferior a la temperatura del punto de rocío. Cuando no hay niebla, la temperatura del punto de rocío siempre es inferior a la temperatura del aire. Los datos meteorológicos muestran que la temperatura del punto de rocío (un indicador del contenido de agua en el aire) no cambia apreciablemente cuando el clima es estable. Por lo tanto, el viento, que en última instancia impone la temperatura del aire al condensador, no puede enfriar el condensador para garantizar su funcionamiento. Debe actuar otro fenómeno de enfriamiento: el enfriamiento radiativo. Por lo tanto, es durante la noche, cuando el condensador se enfría por radiación, cuando se puede extraer agua líquida del aire. Es muy raro que la temperatura del punto de rocío aumente significativamente hasta superar la temperatura de las piedras dentro del montón de piedras. Ocasionalmente, cuando esto sucede, el rocío puede ser abundante durante un corto período de tiempo. Es por eso que los intentos posteriores de L. Chaptal y A. Knapen de construir condensadores de rocío masivos solo dieron resultados significativos en raras ocasiones. [Énfasis como en el original] [2]
Aunque en algunas fuentes se mencionan pozos de aire antiguos, hay escasa evidencia de ellos y la creencia persistente en su existencia tiene el carácter de un mito moderno . [2]
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Un pozo de aire radiativo está diseñado para enfriar un sustrato irradiando calor al cielo nocturno. El sustrato tiene una masa baja, por lo que no puede retener calor, y está aislado térmicamente de cualquier masa, incluido el suelo. [43] Un colector radiativo típico presenta una superficie de condensación en un ángulo de 30° con respecto a la horizontal. La superficie de condensación está respaldada por una capa gruesa de material aislante, como espuma de poliestireno , y sostenida a 2-3 metros (7-10 pies) sobre el nivel del suelo. Estos condensadores se pueden instalar convenientemente en los tejados de las cumbreras de los edificios bajos o se pueden sostener con un marco simple. [44] Aunque otras alturas no suelen funcionar tan bien, puede ser menos costoso o más conveniente montar un colector cerca del nivel del suelo o en un edificio de dos pisos. [45]
El condensador radiativo de 550 metros cuadrados (5900 pies cuadrados) que se muestra a la izquierda está construido cerca del suelo. En la zona del noroeste de la India donde está instalado, se produce rocío durante ocho meses al año y la instalación recoge unos 15 milímetros (0,59 pulgadas) de agua de rocío durante la temporada con casi 100 noches de rocío. En un año, proporciona un total de unos 9000 litros (2000 galones imperiales; 2400 galones estadounidenses) de agua potable para la escuela que posee y opera el sitio. [46]
Aunque los diseños planos tienen la ventaja de la simplicidad, otros diseños, como las pirámides invertidas y los conos, pueden ser significativamente más eficaces. Esto se debe probablemente a que los diseños protegen las superficies de condensación del calor no deseado irradiado por la atmósfera inferior y, al ser simétricos, no son sensibles a la dirección del viento. [47]
Los nuevos materiales pueden ser aún mejores colectores. [48] Uno de estos materiales está inspirado en el escarabajo del desierto de Namibia , que sobrevive únicamente gracias a la humedad que extrae de la atmósfera. Se ha descubierto que su espalda está recubierta de proyecciones microscópicas: los picos son hidrófilos y los valles son hidrófobos. [49] [50] [51] Los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts han emulado esta capacidad creando una superficie texturizada que combina materiales hidrófobos e hidrófilos alternados. [52]
Los colectores atmosféricos activos de agua se utilizan desde la comercialización de la refrigeración mecánica . Básicamente, todo lo que se necesita es enfriar un intercambiador de calor por debajo del punto de rocío y se producirá agua. Esta producción de agua puede tener lugar como un subproducto , posiblemente no deseado, de la deshumidificación . [3] El sistema de aire acondicionado del Burj Khalifa en Dubai , por ejemplo, produce aproximadamente 15 millones de galones estadounidenses (57.000 m 3 ) de agua cada año que se utilizan para regar las plantas paisajísticas de la torre. [54]
Como la refrigeración mecánica consume mucha energía, los colectores activos suelen estar restringidos a lugares donde no hay suministro de agua que pueda desalinizarse o purificarse a un costo menor y que están lo suficientemente lejos de una fuente de agua dulce como para que el transporte resulte antieconómico. Estas circunstancias son poco comunes, e incluso en esos casos, grandes instalaciones como la que se intentó en la década de 1930 en Cook, Australia del Sur , fracasaron debido al costo de funcionamiento de la instalación: era más barato transportar agua a grandes distancias. [22]
En el caso de instalaciones pequeñas, la conveniencia puede superar el costo. Existe una amplia gama de pequeñas máquinas diseñadas para ser utilizadas en oficinas que producen unos pocos litros de agua potable a partir de la atmósfera. Sin embargo, hay circunstancias en las que realmente no hay otra fuente de agua que la atmósfera. Por ejemplo, en la década de 1930, los diseñadores estadounidenses agregaron sistemas de condensadores a los dirigibles : en este caso, el aire era el emitido por el escape de los motores, por lo que contenía agua adicional como producto de la combustión. La humedad se recogía y se usaba como lastre adicional para compensar la pérdida de peso a medida que se consumía combustible. Al recoger el lastre de esta manera, la flotabilidad del dirigible podía mantenerse relativamente constante sin tener que liberar gas helio, que era caro y estaba en cantidades limitadas. [55]
Más recientemente, en la Estación Espacial Internacional , el módulo Zvezda incluye un sistema de control de humedad. El agua que recoge se utiliza normalmente para abastecer el sistema Elektron que electroliza el agua en hidrógeno y oxígeno , pero puede utilizarse para beber en caso de emergencia. [56]
Existen varios diseños que minimizan los requisitos energéticos de los condensadores activos:
Este artículo ha sido reproducido ampliamente, incluidos extractos en Sharan, 2006.
