O primeiro dispositivo do gênero extrai água do ar rarefeito

Engenheiros de Utah, financiados pelo Exército, desenvolveram um dispositivo que coleta água da atmosfera, mesmo em locais áridos.

Pesquisadores da Universidade de Utah revelaram um dispositivo compacto para coleta de água atmosférica que extrai água do ar de forma eficiente usando um processo alimentado por combustível, prometendo aliviar a escassez global de água.

A atmosfera da Terra contém uma vasta quantidade de água, o suficiente para encher o Great Salt Lake de Utah 800 vezes. Extrair um pouco dessa umidade é considerado uma solução promissora para fornecer água potável limpa para bilhões de pessoas no mundo todo que enfrentam escassez crônica.

As tecnologias existentes para coleta de água atmosférica (AWH) estão sobrecarregadas com inúmeras desvantagens associadas a tamanho, custo e eficiência. No entanto, novas pesquisas de pesquisadores de engenharia da Universidade de Utah produziram insights que podem melhorar a eficiência e levar o mundo um passo mais perto de explorar o ar como uma fonte de água culinária em lugares áridos.

O estudo revela o primeiro dispositivo AWH compacto de ciclo rápido alimentado por combustível. Este protótipo de duas etapas depende de materiais adsorventes que extraem moléculas de água do ar não úmido e, em seguida, aplicam calor para liberar essas moléculas na forma líquida, de acordo com Sameer Rao, autor sênior do estudo publicado no periódico Relatórios de Células Ciência física e professor assistente de engenharia mecânica.

“Materiais higroscópicos têm intrinsecamente uma afinidade com a água. Eles absorvem água onde quer que você vá. Um dos melhores exemplos é o material dentro das fraldas”, disse Rao, que por acaso é pai de um filho pequeno. “Trabalhamos com um tipo específico de material higroscópico chamado estrutura metal-orgânica.”

Os engenheiros mecânicos Nathan Ortiz, à esquerda, e o professor Sameer Rao descrevem um dispositivo que desenvolveram que extrai água doce da atmosfera. Crédito: Dan Hixson

Rao comparou estruturas metal-orgânicas a blocos de Lego, que podem ser rearranjados para construir todos os tipos de estruturas. Neste caso, eles são arranjados para criar uma molécula ideal para separação de gás.

“Eles podem torná-lo específico para adsorver vapor de água do ar e nada mais. Eles são realmente seletivos”, disse Rao. Desenvolvido com o aluno de pós-graduação Nathan Ortiz, o principal autor do estudo, este protótipo usa fumarato de alumínio que foi moldado em painéis que coletam a água conforme o ar é aspirado.

“As próprias moléculas de água ficam presas nas superfícies do nosso material, e esse é um processo reversível. E então, em vez de se tornarem impregnadas no próprio material, elas ficam nas paredes”, disse Ortiz. “O que é especial sobre esses materiais absorventes é que eles têm uma quantidade imensa de área de superfície interna. Há muitos locais para as moléculas de água ficarem presas.”

Apenas um grama desse material contém tanta área de superfície quanto dois campos de futebol, de acordo com Rao. Então, apenas um pouco de material pode capturar muita água.

Detalhes tecnológicos e aplicações militares

“Toda essa área de superfície está na escala molecular”, disse Rao. “E isso é incrível para nós porque queremos prender vapor de água nessa área de superfície dentro dos poros desse material.”

O financiamento para a pesquisa veio do Centro de Soldados DEVCOMum programa executado pelo Departamento de Defesa para facilitar a transferência de tecnologia que apoia a modernização do Exército. O interesse do Exército no projeto decorre da necessidade de manter os soldados hidratados enquanto operam em áreas remotas com poucas fontes de água.

“Nós olhamos especificamente para isso para aplicações de defesa, para que os soldados tenham uma pequena unidade compacta de geração de água e não precisem carregar um grande cantil cheio de água”, disse Rao. “Isso literalmente produziria água sob demanda.”

Rao e Ortiz entraram com um pedido de patente preliminar com base na tecnologia, que também atende a necessidades não militares.

“Enquanto projetávamos o sistema, acho que também tínhamos uma perspectiva do problema mais amplo da água. Não é apenas uma questão de defesa, é muito mais uma questão civil”, disse Rao. “Pensamos em termos de consumo de água de uma casa para beber água por dia. Isso é cerca de 15 a 20 litros por dia.”

Nesta prova de conceito, o protótipo atingiu sua meta de produzir 5 litros de água por dia por quilo de material adsorvente. Em questão de três dias no campo, este dispositivo superaria a água de embalagem, de acordo com Ortiz.

Na segunda etapa do dispositivo, a água é precipitada em líquido pela aplicação de calor usando um fogão de acampamento padrão do Exército. Isso funciona devido à natureza exotérmica do seu processo de coleta de água.

“À medida que coleta água, ele libera pequenos pedaços de calor. E então, para reverter isso, adicionamos calor”, disse Ortiz. “Nós apenas colocamos uma chama bem aqui embaixo, qualquer coisa para aumentar essa temperatura. E então, conforme aumentamos a temperatura, liberamos rapidamente as moléculas de água. Uma vez que temos uma corrente de ar realmente úmida, isso torna a condensação em temperatura ambiente muito mais fácil.”

Tecnologias nascentes abundam para coleta de água atmosférica, o que é mais facilmente realizado quando o ar está úmido, mas nenhuma resultou em equipamento que possa ser colocado em uso prático em ambientes áridos. Ortiz acredita que seu dispositivo pode ser o primeiro, principalmente porque é alimentado com combustível denso em energia, como a gasolina branca usada em fogões de acampamento.

A equipe decidiu não usar energia fotovoltaica.

“Se você depende de painéis solares, você está limitado à operação diurna ou precisa de baterias, o que é apenas mais peso. Você continua empilhando desafios. Isso ocupa muito espaço”, disse Ortiz. “Essa tecnologia é superior em condições áridas, enquanto a refrigeração é melhor em alta umidade.”

Referência: “Dispositivo compacto de coleta de água atmosférica alimentada por combustível de ciclo rápido para produção de água durante todo o dia” por Nathan P. Ortiz e Sameer R. Rao, 22 de julho de 2024, Relatórios de células Ciência física.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102115

O estudo foi financiado pelo Laboratório de Pesquisa do Exército DEVCOM e pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA.