El invento contra la sequía para tener agua potable barata siempre: permite desalar sin usar energía

Las sucesivas borrascas que han llegado a España en las últimas semanas han aliviado algo la situación crítica de los embalses, pero la sequía persistente amenaza con perjudicar los cultivos y obligar a restricciones de agua en varias zonas del país. De hecho, el año hidrológico 2022-2023 terminó con un 12% de precipitaciones por debajo de lo normal. Sin embargo, en el horizonte ya se vislumbran novedades tecnológicas y científicas capaces de revertir la situación, tanto en el ámbito doméstico para ahorrar agua como a nivel de infraestructuras, con desaladoras que funcionan con placas solares flotantes.

Precisamente, la desalinización es uno de los procesos más estudiados recientemente en instituciones como el prestigioso Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), por equipos que buscan aumentar la eficiencia de los sistemas existentes reduciendo el consumo de energía. Ahora, otro grupo ha analizado los descubrimientos más prometedores y ha hallado un sorprendente resultado: la capacidad de la luz, sin necesidad de aporte de calor, para evaporar el agua. Eso implica la posibilidad de fabricar un sistema hasta cuatro veces más eficiente que los que actualmente utilizan energía solar para obtener agua potable que, en consecuencia, será más barata y fácil de conseguir. 

La clave está en comprender más a fondo el proceso de evaporación y el papel de la luz en él. Para ello, el investigador postdoctoral Yaodong Tu, el profesor de ingeniería mecánica Gang Chen y otros cuatro investigadores del MIT han llevado a cabo una serie de experimentos y simulaciones, cuyos resultados han publicado en la revista especializada PNAS. La conclusión, por sorprendente que sea, es clara: "este proceso de evaporación fotomolecular podría estar ocurriendo ampliamente en la naturaleza. Tendría un impacto significativo en el ciclo del agua de la Tierra y en el cambio climático, así como aplicaciones potenciales en tecnologías de agua limpia y energía".

Luz sin calor

La evaporación es un fenómeno físico del agua que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso. Para lograrlo, necesita la suficiente energía como para vencer a la tensión superficial, algo que se manifiesta en el sudor, el rocío o la condensación en una ventana por la diferencia térmica entre el interior y el exterior de una vivienda.

Sin embargo, muchos investigadores encontraban resultados que no cuadraban con lo previamente establecido. En sus experimentos, el agua se evaporaba más rápido de lo normal teniendo en cuenta la cantidad de calor que recibía. Y no era algo anecdótico: la tasa era el doble o incluso el triple de la máxima según la teoría de la evaporación.

Científicos del MIT trabajando en el Laboratorio de Energía Mecánica MIT Omicrono

Los sorprendentes resultados empezaron a llamar la atención del equipo del MIT mientras estudiaban el proceso de evaporación solar que se usa para la desalinización. Para comprobar hasta qué punto la luz podría ser un elemento decisivo, pusieron partículas de un material negro absorbente de la luz en un recipiente con agua.

Para realizar más comprobaciones, estudiaron el trabajo de otros investigadores que habían conseguido una tasa de evaporación que duplicaba el límite térmico, aglutinándose en un hidrogel con sorprendentes propiedades. "Lo probamos en nuestro simulador solar y funcionó", asegura Chen en declaraciones recogidas por MIT Review. Vencido su escepticismo inicial, los científicos de origen chino empezaron entonces a fabricar y a poner a prueba sus propios hidrogeles.

[El invento contra la sequía para tener siempre agua potable: desala gastando un 90% menos de energía]

El exceso de evaporación venía a confirmar sus sospechas: era la luz quien estaba detrás de ese efecto, con los fotones como responsables del desprendimiento de haces de moléculas de agua. Eso sólo sucedía en la zona superficial del hidrogel, pero el principio es el mismo que puede aplicarse a la superficie del mar, las gotas de lluvia o incluso la niebla.

Para lograr resultados concluyentes, Tu y Chen sometieron a los hidrogeles a diversas pruebas en el laboratorio. La más decisiva fue el control de la respuesta de la superficie del hidrogel iluminada con luz de diferentes longitudes de onda (y, por tanto, de diferentes colores).

Una de las pruebas con luz verde realizada por los investigadores MIT Omicrono

La velocidad de evaporación se midió con una balanza de precisión: colocaron el hidrogel cargado de agua y midieron la cantidad de masa perdida, además de controlar la temperatura. El efecto variaba considerablemente según el color de la luz, y llegó a su máximo nivel con una longitud de onda de luz verde. 

Los investigadores querían confirmar su hipótesis con una última prueba: duplicar la velocidad de evaporación utilizando electricidad para calentar el material sin que este estuviera expuesto a la luz. El resultado respaldó lo que suponían: la cantidad de agua evaporada no superó el límite térmico, lo que confirmó que el efecto se debía a la luz.

Aplicaciones

Este fenómeno, más eficaz que el calor para obtener agua potable, podría tener un papel crucial "en la formación y evolución de la niebla y las nubes". Eso implicaría una revisión profunda y a gran escala de los modelos climáticos, para mejorar su precisión y aplicarlo a la prevención frente a catástrofes naturales o las previsiones relacionadas con el calentamiento global.

También serviría para transformar los procesos que requieran secar un material y los de refrigeración por evaporación, "utilizando el cambio de fase para proporcionar un sistema de refrigeración solar altamente eficiente". Pero, sobre todo, "podría desempeñar un papel importante en muchos procesos industriales, como la desalinización de agua mediante energía solar". El principal problema del agua desalada es su altísimo coste, que repercute en sus usuarios finales, sobre todo en los agricultores que lo usan para regar sus cultivos.

Proyecto de planta solar para la desaladora Las Palmas III Desal + Living Lab Omicrono

Este hallazgo implicaría una gran reducción en el precio del agua desalada. En principio, permitiría aumentar el límite de agua producida por desalinización solar, actualmente tasado en 1,5 kilogramos por metro cuadrado. El efecto, bautizado como efecto fotomolecular, permite aumentar hasta tres o cuatro veces esa cifra. Potencialmente, estos hidrogeles permitirían 'saltarse' el paso de convertir primero la luz solar en calor, por lo que no necesitaría placas solares para funcionar.

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