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Desalinización de agua sencilla y con energía solar

Un sistema de desalinización solar completamente pasivo desarrollado por investigadores del MIT y de China podría proporcionar más de 1,5 galones de agua potable fresca por hora por cada metro cuadrado de superficie de captación solar. Este tipo de sistemas podría servir a zonas costeras áridas no conectadas a la red para proporcionar una fuente de agua eficiente y de bajo coste.

El sistema utiliza múltiples capas de evaporadores y condensadores solares planos, alineados en un conjunto vertical y cubiertos por un aislamiento de aerogel transparente. Este sistema se describe en un artículo que aparece hoy en la revista Energy and Environmental Science, cuyos autores son los estudiantes de doctorado del MIT Lenan Zhang y Lin Zhao, el postdoctorado Zhenyuan Xu, la profesora de ingeniería mecánica y jefa de departamento Evelyn Wang, y otras ocho personas del MIT y de la Universidad Jiao Tong de Shanghai (China).

La clave de la eficacia del sistema reside en la forma en que utiliza cada una de las múltiples etapas para desalinizar el agua. En cada etapa, se aprovecha el calor liberado por la etapa anterior en lugar de desperdiciarlo. De este modo, el dispositivo de demostración del equipo puede alcanzar una eficiencia global del 385% en la conversión de la energía de la luz solar en la energía de la evaporación del agua.

El dispositivo es esencialmente un alambique solar multicapa, con un conjunto de componentes de evaporación y condensación como los utilizados para destilar licores. Utiliza paneles planos para absorber el calor y transferirlo a una capa de agua para que empiece a evaporarse. A continuación, el vapor se condensa en el siguiente panel. Ese agua se recoge, mientras que el calor de la condensación del vapor pasa a la siguiente capa.

Siempre que el vapor se condensa en una superficie, libera calor; en los sistemas de condensación típicos, ese calor simplemente se pierde en el entorno. Pero en este evaporador multicapa el calor liberado fluye a la siguiente capa de evaporación, reciclando el calor solar y aumentando la eficiencia global.

«Cuando se condensa el agua, se libera energía en forma de calor», explica Wang. «Si tienes más de una etapa, puedes aprovechar ese calor».

Añadir más capas aumenta la eficiencia de la conversión para producir agua potable, pero cada capa también añade coste y volumen al sistema. El equipo se decidió por un sistema de 10 etapas para su dispositivo de prueba de concepto, que se probó en la azotea de un edificio del MIT. El sistema suministraba agua pura que superaba las normas de agua potable de la ciudad, a razón de 5,78 litros por metro cuadrado (unos 1,52 galones por 11 pies cuadrados) de superficie de captación solar. Esto es más del doble de la cantidad récord producida anteriormente por un sistema de desalinización solar pasivo de este tipo, afirma Wang.

En teoría, con más etapas de desalinización y una mayor optimización, estos sistemas podrían alcanzar niveles de eficiencia global de hasta el 700 u 800%, afirma Zhang.

A diferencia de algunos sistemas de desalinización, no hay acumulación de sal o salmueras concentradas que deban eliminarse. Según los investigadores, en una configuración de flotación libre, la sal que se acumula durante el día simplemente se devuelve al agua de mar por la noche a través del material de mecha.

La unidad de demostración se construyó principalmente con materiales baratos y fáciles de conseguir, como un absorbedor solar negro comercial y toallas de papel como mecha capilar para llevar el agua al contacto con el absorbedor solar. En la mayoría de los demás intentos de fabricar sistemas de desalinización solar pasiva, el material del absorbedor solar y el de la mecha han sido un solo componente, lo que requiere materiales especializados y costosos, dice Wang. «Hemos podido desacoplar estos dos».

El componente más caro del prototipo es una capa de aerogel transparente utilizada como aislante en la parte superior de la pila, pero el equipo sugiere que podrían utilizarse otros aislantes menos costosos como alternativa. (El propio aerogel está hecho de sílice barato, pero requiere un equipo de secado especializado para su fabricación).

Wang subraya que la contribución clave del equipo es un marco para entender cómo optimizar estos sistemas pasivos de varias etapas, que ellos llaman desalinización térmica localizada de varias etapas. Las fórmulas que han desarrollado podrían aplicarse a diversos materiales y arquitecturas de dispositivos, lo que permitiría una mayor optimización de los sistemas en función de las diferentes escalas de funcionamiento o de las condiciones y materiales locales.

Una posible configuración sería la de paneles flotantes en una masa de agua salada, como un estanque. Éstos podrían suministrar agua dulce de forma constante y pasiva a través de tuberías hasta la orilla, siempre que el sol brille cada día. Otros sistemas podrían diseñarse para abastecer a un solo hogar, tal vez utilizando un panel plano en un gran tanque poco profundo de agua de mar que se bombea o transporta. El equipo calcula que un sistema con una superficie de captación solar de aproximadamente 1 metro cuadrado podría satisfacer las necesidades diarias de agua potable de una persona. En cuanto a la producción, creen que un sistema para satisfacer las necesidades de una familia podría construirse por unos 100 dólares.

Los investigadores tienen previsto realizar más experimentos para seguir optimizando la elección de los materiales y las configuraciones, y probar la durabilidad del sistema en condiciones reales. También trabajarán para trasladar el diseño de su dispositivo a escala de laboratorio a algo que pueda ser utilizado por los consumidores. La esperanza es que, en última instancia, pueda contribuir a paliar la escasez de agua en zonas del mundo en desarrollo donde escasea la electricidad fiable pero abundan el agua de mar y la luz solar.

El equipo de investigación estaba formado por Bangjun Li, Chenxi Wang y Ruzhu Wang, de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, y por Bikram Bhatia, Kyle Wilke, Youngsup Song, Omar Labban y John Lienhard, que es el profesor de agua Abdul Latif Jameel del MIT. La investigación contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología y el Centro Tata de Tecnología y Diseño del MIT.

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