Está com sede? Talvez a água limpa pudesse ser extraída diretamente do ar que nos rodeia. Mesmo áreas extremamente secas contêm pequenas quantidades de umidade, e certos materiais podem absorver a umidade e liberá-la como água potável. Nos últimos anos, os pesquisadores criaram uma série de materiais semelhantes a esponjas que tornam possível essa “coleta de água atmosférica”.
A extração da água captada muitas vezes requer aquecimento e uma longa espera. A maioria dos sistemas atuais depende da luz solar para aquecer esses materiais até que a umidade retida evapore e se condense em um líquido. Essa etapa lenta pode levar horas ou até dias.
Os engenheiros do MIT encontraram agora uma maneira mais rápida de reciclar esta água. Em vez de depender do aquecimento solar, a equipe usou vibrações ultrassônicas para sacudir a água.
Vibrações ultrassônicas oferecem alternativa mais rápida
Os pesquisadores criaram um dispositivo de ultrassom de alta frequência que vibra rapidamente. Quando um material absorvente de água, ou “adsorvente”, fica no topo do dispositivo, ele emite ondas ultrassônicas ajustadas para quebrar as ligações que mantêm as moléculas de água no lugar. Seus testes mostraram que esse método pode liberar água em minutos, enquanto os sistemas acionados termicamente normalmente levam dezenas de minutos ou horas.
Como não utiliza calor, o dispositivo requer energia. A equipe sugere que pequenas células solares poderiam fornecer energia e também atuar como sensores para detectar quando os materiais estão saturados. O sistema pode até ser configurado para iniciar automaticamente quando houver acúmulo de água suficiente. Essa automação permitirá que o dispositivo colete e libere água repetidamente ao longo do dia.
Um passo em direção a sistemas práticos de ar-água
“As pessoas têm procurado maneiras de obter água da atmosfera, que poderia ser uma importante fonte de água, especialmente para áreas desérticas e locais onde não há sequer água do mar para dessalinizar”, disse Svetlana Boriskina, principal cientista pesquisadora do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Agora temos uma maneira de reciclar a água de forma rápida e eficiente.”
Boriskina e seus coautores descreveram o dispositivo em um estudo publicado em 18 de novembro. comunicações da natureza. O artigo foi liderado pelo primeiro autor Ikra Iftekhar Shuvo, estudante de pós-graduação em artes e ciências da mídia do MIT, e inclui Carlos Díaz-Marín, Marvin Christen, Michael Lherbette e Christopher Liem.
Melhorar a captação de água atmosférica
O grupo de pesquisa de Boriskina desenvolve materiais que interagem com as condições ambientais de formas inovadoras. Mais recentemente, eles exploraram a coleta de água atmosférica (AWH) e como os materiais podem ser projetados para absorver eficientemente a umidade do ar. O objectivo a longo prazo é fornecer uma fonte fiável de água potável às comunidades que carecem de abastecimento de água doce e salgada.
Como muitas outras equipes, eles inicialmente presumiram que um sistema AWH colocado ao ar livre absorveria a umidade à noite e depois dependeria da luz solar durante o dia para liberá-la por meio de evaporação e condensação.
“Qualquer material que seja muito bom em reter água não quer ser separado dele”, explica Boris Skinner. “Portanto, você precisa investir muito esforço e tempo valioso para extrair a umidade do material.”
Novas direções desencadeadas pela pesquisa de ultrassom
Quando Ikra Shuvo se juntou à equipe, surgiu a ideia de uma abordagem mais rápida. Shuvo tem trabalhado no uso de ultrassom para dispositivos médicos vestíveis e, em discussões com Boriskina, eles perceberam que as vibrações ultrassônicas poderiam acelerar significativamente a etapa de liberação de água na coleta de água atmosférica.
“Ocorreu um momento luminoso: estávamos tentando resolver esse grande problema e agora Ikra parecia ter uma ferramenta que poderia ser usada para resolvê-lo”, lembra Boriskina.
Como agitar água com ultrassom
Ultrassom refere-se a ondas de pressão sonora acima de 20 kHz (20.000 vezes por segundo). Essas ondas de alta frequência são invisíveis e inaudíveis para os humanos. A equipe descobriu que, na frequência certa, as ondas de ultrassom podem sacudir as moléculas de água do material que as contém.
“Usando o ultrassom, podemos quebrar com precisão as ligações fracas entre as moléculas de água e sua localização”, disse Shuvo. “É como se a água estivesse dançando com as ondas, e essa perturbação direcionada cria um impulso que libera as moléculas de água, e podemos vê-las agitar-se na forma de gotículas de água.”
Projetar atuadores de alta frequência
Shuvo e Boriskina fabricam atuadores ultrassônicos especificamente para coleta de água atmosférica. No seu centro está um anel cerâmico plano que vibra quando a tensão é aplicada. Ao seu redor há outro anel contendo pequenos bicos. À medida que as gotas se soltam, elas caem através do bocal em recipientes de coleta colocados acima e abaixo do anel vibratório.
A equipe testou o dispositivo usando materiais AWH desenvolvidos anteriormente. Eles colocaram pedaços de adsorvente do tamanho de um quarto em câmaras de umidade com níveis variados de umidade até que cada amostra estivesse completamente saturada. Cada amostra foi então colocada no atuador e vibrada em frequências ultrassônicas. Em cada teste, o atuador liberou umidade suficiente para permitir que o material secasse em minutos.
Ganhos de eficiência e potencial real
Os pesquisadores estimam que o método ultrassônico é 45 vezes mais eficiente do que depender do calor solar na extração de água do mesmo material.
“A beleza deste dispositivo é que ele é totalmente complementar e pode ser usado como complemento de quase qualquer material sorvente”, disse Boriskina. Ela imagina um sistema doméstico que use materiais de rápida absorção combinados com atuadores ultrassônicos, cada um do tamanho de uma janela. Quando o material fica saturado, o atuador é ativado brevemente usando a energia das células solares, sacode a água e depois reinicia para outro ciclo.
“Depende de quanta água você consegue extrair por dia”, disse ela. “Com o ultrassom, podemos reciclar a água rapidamente e reciclá-la continuamente. Isso pode aumentar muito a cada dia.”
Este trabalho foi apoiado em parte pelo Laboratório de Sistemas de Água e Alimentos do MIT Abdul Latif Jameel e pelo Fundo STEM do MIT-Israel Zuckerman.
