Un nuevo sistema ideado por ingenieros del MIT podría proporcionar una fuente de agua potable de bajo costo para las ciudades resecas de todo el mundo y, al mismo tiempo, reducir los costos operativos de las centrales eléctricas.

Aproximadamente el 39 por ciento de toda el agua dulce extraída de los ríos, lagos y los reservorios en los EE. UU. están destinados a las necesidades de enfriamiento de las plantas de energía eléctrica que usan combustibles fósiles o energía nuclear, y gran parte de esa agua termina flotando en nubes de vapor. Pero el nuevo sistema MIT podría potencialmente ahorrar una fracción sustancial de esa agua perdida, e incluso podría convertirse en una fuente significativa de agua limpia, agua potable segura para ciudades costeras donde se utiliza agua de mar para enfriar las centrales eléctricas locales.

El principio detrás del nuevo concepto es engañosamente simple:cuando el aire rico en niebla es golpeado con un haz de partículas cargadas eléctricamente, conocidos como iones, las gotas de agua se cargan eléctricamente y, por lo tanto, pueden ser atraídas hacia una malla de cables, similar a una pantalla de ventana, colocado en su camino. Las gotas luego se acumulan en esa malla, escurrir en una bandeja colectora, y puede reutilizarse en la planta de energía o enviarse al sistema de suministro de agua de una ciudad.

El sistema, que es la base de una empresa nueva llamada Infinite Cooling que el mes pasado ganó el Concurso de Emprendimiento de $ 100K del MIT, se describe en un artículo publicado hoy en la revista Avances de la ciencia , en coautoría con Maher Damak Ph.D. '17 y profesor asociado de ingeniería mecánica Kripa Varanasi. Damak y Varanasi se encuentran entre los cofundadores de la startup.

La visión de Varanasi era desarrollar sistemas de recuperación de agua altamente eficientes mediante la captura de gotas de agua tanto de la niebla natural como de las columnas de las torres de enfriamiento industriales. El proyecto comenzó como parte de la tesis doctoral de Damak, cuyo objetivo era mejorar la eficiencia de los sistemas de recolección de niebla que se utilizan en muchas regiones costeras con escasez de agua como fuente de agua potable. Esos sistemas, que generalmente consisten en algún tipo de malla de plástico o metal que cuelga verticalmente en el camino de los bancos de niebla que regularmente llegan desde el mar, son extremadamente ineficientes, capturando solo alrededor del 1 al 3 por ciento de las gotas de agua que pasan a través de ellos. Varanasi y Damak se preguntaron si había una manera de hacer que la malla atrapara más gotas, y encontraron una forma muy simple y efectiva de hacerlo.

La razón de la ineficiencia de los sistemas existentes se hizo evidente en los experimentos de laboratorio detallados del equipo:el problema está en la aerodinámica del sistema. Como una corriente de aire pasa un obstáculo, como los cables de estas pantallas de malla que atrapan la niebla, el flujo de aire se desvía naturalmente alrededor del obstáculo, tanto como el aire que fluye alrededor del ala de un avión se separa en corrientes que pasan por encima y por debajo de la estructura del ala. Estas corrientes de aire que se desvían llevan gotitas que se dirigían hacia el cable hacia un lado, a menos que se dirigieran de golpe hacia el centro del cable.

El resultado es que la fracción de gotas capturadas es mucho menor que la fracción del área de recolección ocupada por los cables, porque las gotas se apartan de los cables que se encuentran frente a ellas. Hacer los cables más grandes o los espacios en la malla más pequeños tiende a ser contraproducente porque obstaculiza el flujo de aire general. resultando en una disminución neta en la recaudación.

Pero cuando la niebla entrante es atacada primero con un haz de iones, ocurre el efecto contrario. No solo todas las gotas que se encuentran en el camino de los cables caen sobre ellos, incluso las gotas que apuntaban a los orificios de la malla se tiran hacia los cables. Por tanto, este sistema puede capturar una fracción mucho mayor de las gotas que pasan. Como tal, podría mejorar drásticamente la eficiencia de los sistemas de captura de niebla, y a un costo sorprendentemente bajo. El equipo es simple, y la cantidad de energía requerida es mínima.

Próximo, el equipo se centró en capturar agua de las columnas de las torres de enfriamiento de las centrales eléctricas. Allí, la corriente de vapor de agua está mucho más concentrada que cualquier niebla natural, y eso hace que el sistema sea aún más eficiente. Y dado que la captura de agua evaporada es en sí misma un proceso de destilación, el agua capturada es pura, incluso si el agua de refrigeración es salada o contaminada. En este punto, Karim Khalil, otro estudiante graduado del laboratorio de Varanasi se unió al equipo.

"Es agua destilada, que es de mayor calidad, eso ahora es un desperdicio, ", dice Varanasi." Eso es lo que estamos tratando de capturar ". El agua podría ser canalizada al sistema de agua potable de una ciudad, o utilizado en procesos que requieren agua pura, como en las calderas de una central eléctrica, en lugar de usarse en su sistema de enfriamiento donde la calidad del agua no importa mucho.

Una planta de energía típica de 600 megavatios, Varanasi dice:podría capturar 150 millones de galones de agua al año, representando un valor de millones de dólares. Esto representa alrededor del 20 al 30 por ciento del agua que se pierde en las torres de enfriamiento. Con más refinamientos, el sistema puede capturar aún más de la salida, él dice.

Y lo que es más, Dado que las centrales eléctricas ya están instaladas a lo largo de muchas costas áridas, y muchos de ellos se enfrían con agua de mar, esto proporciona una forma muy sencilla de proporcionar servicios de desalinización de agua a una pequeña fracción del costo de construir una planta de desalinización independiente. Damak y Varanasi estiman que el costo de instalación de dicha conversión sería aproximadamente un tercio del de la construcción de una nueva planta desalinizadora. y sus costos operativos serían aproximadamente 1/50. El tiempo de recuperación de la inversión para instalar un sistema de este tipo sería de aproximadamente dos años, Varanasi dice:y esencialmente no tendría huella ambiental, añadiendo nada a la de la planta original.

"Esta puede ser una gran solución para abordar la crisis mundial del agua, Varanasi dice. "Podría compensar la necesidad de alrededor del 70 por ciento de las nuevas instalaciones de plantas de desalinización en la próxima década".

En una serie de dramáticos experimentos de prueba de concepto, Damak, Jalil, y Varanasi demostró el concepto construyendo una pequeña versión de laboratorio de una pila que emite una columna de gotas de agua, similares a los que se ven en las torres de enfriamiento de plantas de energía reales, y colocó su haz de iones y su pantalla de malla sobre él. En video del experimento, Se ve una espesa nube de gotas de niebla que se eleva desde el dispositivo y casi instantáneamente desaparece tan pronto como se enciende el sistema.

Actualmente, el equipo está construyendo una versión de prueba a gran escala de su sistema para colocarla en la torre de enfriamiento de la Planta Central de Servicios Públicos del MIT. una central eléctrica de cogeneración de gas natural que proporciona la mayor parte de la electricidad del campus, calefacción, y enfriamiento. Se espera que la configuración esté lista a finales del verano y se someterá a pruebas en el otoño. Las pruebas incluirán probar diferentes variaciones de la malla y su estructura de soporte, Dice Damak.

Eso debería proporcionar la evidencia necesaria para permitir a los operadores de plantas de energía, que tienden a ser conservadores en sus elecciones tecnológicas, adoptar el sistema. Debido a que las plantas de energía tienen una vida útil de décadas, sus operadores tienden a "ser muy reacios al riesgo" y quieren saber "¿se ha hecho esto en otro lugar?" Dice Varanasi. Las pruebas de la planta de energía del campus no solo "eliminarán el riesgo" de la tecnología, pero también ayudará al campus del MIT a mejorar su huella hídrica, él dice. "Esto puede tener un gran impacto en el uso del agua en el campus".