I+D+i. La caja que hace agua con el aire del desierto

Un equipo de científicos de la Universidad de California, en Berkeley (UC Berkeley) ha ensayado con éxito, en el desierto estadounidense de Arizona, un sistema capaz de recolectar agua potable del aire sin otra energía que la luz del sol. Este dispositivo absorbe agua durante la noche y, a través del calentamiento solar durante el día, la libera, para condensarla y recolectarla utilizando un nuevo tipo de material denominado ‘Estructuras metal-orgánicas’ o Metal Organic Frameworks (MOF, por sus siglas en inglés).

Este exitoso ensayo de campo en Arizona permite demostrar que este sistema puede extraer agua potable todos los días y todas las noches, con una humedad muy baja y a un bajo costo, lo que lo hace ideal para las personas que viven en zonas áridas y con escasez de agua en todo el mundo,.

El científico Omar Yaghi, profesor de Química en la UC Berkeley (www.berkeley.edu), ha sido el inventor de la tecnología MOF subyacente a esta cosechadora. Según Yaghi, este sistema «funciona a temperatura ambiente con la luz del sol, y puede recoger agua en el desierto sin recibir un aporte de energía adicional».

«Este viaje del laboratorio al desierto nos ha permitido conseguir que la recolección de agua pase de ser un fenómeno interesante a convertirse en una ciencia», recalca.

MATERIAL PRODIGIOSO

«Yaghi es un pionero en el desarrollo de los MOF, unos sólidos con tantos canales y agujeros internos que uno de estos materiales del tamaño de un terrón de azúcar podría tener una superficie interna del tamaño de seis campos de fútbol», dice Robert Sanders, director de comunicaciones científicas de la universidad californiana.

«Esta superficie absorbe fácilmente tanto gases como líquidos y, lo que es igual de importante, los libera rápidamente cuando se calientan», añade.

Según Sanders, ya se están probando varios tipos de MOF, por ejemplo como una forma de introducir más gas en los tanques de los vehículos alimentados con hidrógeno, para absorber dióxido de carbono de las chimeneas y para almacenar metano.

El químico jordano-estadounidense recibió en 2018 el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas por su trabajo en el desarrollo de estos materiales, capaces de capturar y almacenar dióxido de carbono, obtener agua del vapor atmosférico en zonas desérticas o desarrollar combustibles limpios basados en el hidrógeno.

Los MOF altamente porosos, que Yaghi desarrolló en la década de 1990 junto con otros materiales llamados COF, son como esponjas cristalinas a escala molecular, en las que el tamaño de los poros o celdas se puede definir en función de las necesidades (www.premiosfronterasdelconocimiento.es).

Estos materiales reúnen muchas de las propiedades más deseadas por los químicos, entre ellas una gran capacidad de absorber otros compuestos, que se alojan dentro de sus poros, según la Fundación BBVA. Mientras los COF están compuestos por materiales orgánicos, los MOF combinan materiales inorgánicos (óxidos de metal) y orgánicos. El óxido de metal cambia dependiendo de la molécula que se quiera capturar, mientras el tamaño del poro depende del compuesto orgánico utilizado, según esta fuente.

Con el prototipo que el equipo de Yaghi probó en Scottsdale (Arizona), donde la humedad ambiental relativa pasa del 40 por ciento por la noche al 8 por ciento durante el día, se demostró que, en el futuro, debería ser fácil aumentar la escala de la cosechadora añadiendo más material MOF que absorba agua, según estos investigadores. Con el actual tipo de MOF hecho de zirconio (MOF-801), la cosechadora es capaz de recolectar alrededor de 200 gramos (unas 7 onzas) de agua por cada kilogramo de este material poroso.

El zirconio es un metal costoso, pero Yaghi informa que ha creado un nuevo MOF basado en aluminio, llamado MOF-303, que es, al menos, 150 veces más barato y captura el doble de agua en las pruebas de laboratorio, lo que permitirá desarrollar una nueva generación de cosechadoras capaces de producir más de 400 mililitros de agua al día a partir de un kilogramo de MOF.

«La cosechadora es básicamente una caja dentro de una caja. La caja interior contiene una cama de 2 pies cuadrados (0,18 metros cuadrados) de granos de MOF expuestos al aire para absorber la humedad. Este material está encapsulado en un cubo de plástico con la tapa y sus laterales transparentes», explica Robert Sanders.

«La parte superior de la cosechadora se dejó abierta por la noche para permitir que el aire entrara y se pusiera en contacto con el MOF, pero se reemplazó durante el día para que la caja pudiera calentarse como si fuera un invernadero para expulsar el agua absorbida por el MOF», añade.

El MOF está dentro de la caja interior, y su parte superior o tapa envuelta en papel aluminio está diseñada para mantener la caja exterior lo suficientemente fría como para condensar el vapor de agua que se desprende desde el MOF por la luz solar.

«Durante el experimento de Scottsdale, el agua liberada se condensó en el interior de la caja exterior y cayó al fondo, donde los investigadores la recogieron con una pipeta», dice Sanders.

Los experimentos establecen que esta cosechadora es capaz de operar con baja humedad, como ocurre en las regiones áridas del mundo, y que puede ser configurada para diferentes condiciones, dotándola de un MOF específico, según los investigadores.

«Ahora estamos efectuando mejoras tanto en los materiales como en los aspectos de ingeniería de la cosechadora», explica a Efe el estudiante de postgrado Eugene Kapustin, que forma parte del equipo del profesor Yaghi, junto con los becarios de postdoctorado Markus Kalmutzki y Farhad Fathieh.

«Estamos estudiando otros MOFs que sean más baratos de sintetizar y suministren más agua con una humedad relativa más baja, y estamos trabajando en un nuevo diseño de la cosechadora basado en el MOF-303 para que sea más compacta y pueda producir mayor cantidad de agua potable», añade Kapustin.

Oriente Medio, África e India se encuentran entre los primeros lugares donde esta tecnología podría ser aplicable, debido a la muy baja humedad relativa y a la abundancia de luz solar que hay en estas áreas.