Hoy en día, 2.200 millones de personas en el mundo carecen de acceso a agua potable. En Estados Unidos, más de 46 millones de personas padecen inseguridad hídrica, viviendo sin agua corriente o con agua no apta para el consumo. La creciente necesidad de agua potable está agotando recursos tradicionales como ríos, lagos y embalses.

Para mejorar el acceso a agua potable segura y asequible, los ingenieros del MIT están aprovechando una fuente no convencional: el aire. La atmósfera terrestre contiene miles de millones de galones de agua en forma de vapor. Si este vapor se puede capturar y condensar eficientemente, podría suministrar agua potable limpia en lugares donde los recursos hídricos tradicionales son inaccesibles.

Con ese objetivo en mente, el equipo del MIT ha desarrollado y probado un nuevo recolector de agua atmosférica y ha demostrado que captura eficientemente el vapor de agua y produce agua potable segura en un rango de humedades relativas, incluido el aire seco del desierto.

El nuevo dispositivo consiste en un panel vertical negro del tamaño de una ventana, fabricado con un hidrogel absorbente de agua, encerrado en una cámara de vidrio recubierta con una capa refrigerante. El hidrogel se asemeja al plástico de burbujas negro, con pequeñas estructuras en forma de cúpula que se expanden al absorber vapor de agua. Al evaporarse el vapor capturado, las cúpulas se contraen, formando una especie de origami. El vapor evaporado se condensa en el vidrio, donde puede fluir hacia abajo y salir a través de un tubo, convirtiéndose en agua limpia y potable.

El sistema funciona completamente por sí solo, sin fuente de alimentación, a diferencia de otros diseños que requieren baterías, paneles solares o electricidad de la red eléctrica. El equipo utilizó el dispositivo durante más de una semana en el Valle de la Muerte, California, la región más seca de Norteamérica. Incluso en condiciones de humedad muy baja, el dispositivo extrajo agua potable del aire a un ritmo de hasta 160 mililitros (aproximadamente dos tercios de una taza) al día.

El equipo estima que múltiples paneles verticales, instalados en una pequeña disposición, podrían abastecer pasivamente de agua potable a un hogar, incluso en entornos desérticos y áridos. Además, la producción de agua del sistema debería aumentar con la humedad, proporcionando agua potable en climas templados y tropicales.

“Hemos construido un dispositivo a escala de metro que esperamos implementar en regiones con recursos limitados, donde ni siquiera una célula solar es muy accesible”, afirma Xuanhe Zhao, profesor de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de Massachusetts (UNCAS) y Helen Whitaker en el MIT. “Es una prueba de viabilidad para ampliar esta tecnología de captación de agua. Ahora se puede construir aún más grande, o integrarlo en paneles paralelos, para abastecer de agua potable a la población y lograr un impacto real”.

Zhao y sus colegas presentan los detalles del nuevo diseño de captación de agua en un artículo publicado hoy en la revista Nature Water. El autor principal del estudio es el exinvestigador posdoctoral del MIT, "Will" Chang Liu, quien actualmente es profesor adjunto en la Universidad Nacional de Singapur (NUS). Entre los coautores del MIT se encuentran Xiao-Yun Yan, Shucong Li y Bolei Deng, junto con colaboradores de diversas instituciones.

Capacidad de llevar

Los hidrogeles son materiales blandos y porosos compuestos principalmente de agua y una red microscópica de fibras poliméricas interconectadas. El grupo de Zhao en el MIT ha explorado principalmente el uso de hidrogeles en aplicaciones biomédicas, incluyendo recubrimientos adhesivos para implantes médicos, electrodos blandos y flexibles, y adhesivos para imágenes no invasivas.

“A través de nuestro trabajo con materiales blandos, una propiedad que conocemos muy bien es la forma en que el hidrogel es muy bueno para absorber agua del aire”, dice Zhao.

Los investigadores están explorando diversas maneras de captar vapor de agua para agua potable. Entre las más eficientes hasta la fecha se encuentran los dispositivos fabricados con estructuras metalorgánicas (MOF), materiales ultraporosos que también han demostrado captar agua del aire seco del desierto. Sin embargo, las MOF no se hinchan ni se estiran al absorber agua y su capacidad de transporte de vapor es limitada.

Agua del aire

El nuevo recolector de agua basado en hidrogel del grupo aborda otro problema clave en diseños similares. Otros grupos han diseñado recolectores de agua con hidrogeles micro o nanoporosos. Sin embargo, el agua producida con estos diseños puede ser salada, lo que requiere un filtrado adicional. La sal es un material naturalmente absorbente, y los investigadores incorporan sales —normalmente cloruro de litio— en el hidrogel para aumentar su absorción de agua. Sin embargo, el inconveniente es que esta sal puede filtrarse con el agua al ser finalmente recolectada.

El nuevo diseño del equipo limita significativamente la fuga de sal. Dentro del propio hidrogel, incluyeron un ingrediente adicional: glicerol, un compuesto líquido que estabiliza la sal de forma natural, manteniéndola dentro del gel en lugar de permitir que cristalice y se filtre con el agua. El hidrogel tiene una microestructura sin poros a escala nanométrica, lo que impide aún más que la sal escape del material. Los niveles de sal en el agua recolectada estaban por debajo del umbral estándar para agua potable segura y significativamente por debajo de los niveles producidos por muchos otros diseños basados ​​en hidrogel.

Además de ajustar la composición del hidrogel, los investigadores mejoraron su forma. En lugar de mantener el gel como una lámina plana, lo moldearon en un patrón de pequeñas cúpulas similares al plástico de burbujas, que aumentan la superficie del gel y la cantidad de vapor de agua que puede absorber.

Los investigadores fabricaron medio metro cuadrado de hidrogel y lo encerraron en una cámara de vidrio similar a una ventana. Recubrieron el exterior de la cámara con una película de polímero especial, que ayuda a enfriar el vidrio y estimula la evaporación y condensación del vapor de agua presente en el hidrogel. Instalaron un sencillo sistema de tuberías para recoger el agua que fluye por el vidrio.

En noviembre de 2023, el equipo viajó al Valle de la Muerte, California, e instaló el dispositivo como un panel vertical. Durante siete días, tomaron mediciones a medida que el hidrogel absorbía vapor de agua durante la noche (el momento del día en que el vapor de agua en el desierto es más alto). Durante el día, con la ayuda del sol, el agua recolectada se evaporó del hidrogel y se condensó sobre el vidrio.

Durante este período, el dispositivo funcionó en un rango de humedades, del 21 % al 88 %, y produjo entre 57 y 161,5 mililitros de agua potable al día. Incluso en las condiciones más secas, el dispositivo recolectó más agua que otros diseños pasivos y algunos de alimentación activa.

“Este es solo un diseño de prueba de concepto, y hay muchos aspectos que podemos optimizar”, dice Liu. “Por ejemplo, podríamos tener un diseño multipanel. Y estamos trabajando en una nueva generación del material para mejorar aún más sus propiedades intrínsecas”.

“Imaginamos que algún día se podría instalar una serie de estos paneles, y el espacio ocupado es muy reducido porque todos son verticales”, dice Zhao, quien planea realizar más pruebas con los paneles en muchas regiones con recursos limitados. “Entonces se podrían tener muchos paneles juntos, recolectando agua constantemente, a nivel doméstico”.

Este trabajo fue financiado, en parte, por la subvención MIT J-WAFS Water and Food Seed Grant, el programa de investigación colaborativa MIT-Universidad China de Hong Kong y el programa de investigación colaborativa UM6P-MIT.

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