Esquemas de prototipo de Streed, datos experimentales y simulaciones. Crédito: Nature Water (2025). Doi: 10.1038/s44221-025-00438-3
El agua potable fresca es un recurso vital pero limitado que solo se volverá más escaso en los próximos años, según el World Resources Institute. La desalinización, el proceso de eliminación de sal del agua, es un método establecido utilizado para aumentar el suministro de agua dulce, especialmente en las regiones costeras. Sin embargo, los sistemas de desalinización actuales dependen de la infraestructura centralizada a gran escala y las membranas de filtración propensas al ensuciamiento y la degradación.
Un equipo de ingenieros de la Universidad de Rice ha desarrollado un sistema que podría transformar las prácticas de desalinización, lo que hace que el proceso sea más adaptable, resistente y más barato.
El nuevo sistema, descrito en un estudio publicado en Nature Water, está diseñado para ser alimentado por la luz solar y utiliza un enfoque creativo para la recuperación de calor para la producción de agua extendida, con y sin sol. A diferencia de los sistemas convencionales, la configuración está hecha de materiales no degradables y puede manejar salmueras de alta salinidad.
“El acceso al agua fresca limpia es un problema particularmente desafiante en las comunidades fuera de la red”, dijo William Schmid, un estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática en los métodos de investigación de Rice y National Science Foundation para aumentar la eficiencia de la desalinización impulsada por la luz. “Queríamos centrarnos en sistemas de desalinización modulares descentralizados”.
La desalinización térmica implica ciclos de evaporación y condensación: a medida que el agua se evapora, se dejan sólidos como sales y otras impurezas; Mientras tanto, el vapor de agua se enfría y se condensa en agua dulce. La evaporación utiliza la energía para superar las fuerzas intermoleculares que caracterizan el agua en la fase líquida, y la condensación libera la energía a medida que el vapor vuelve a convertirse en líquido. Para que los sistemas de desalinización térmica sean eficientes, la energía generada en la transición entre líquido y vapor debe recuperarse y reutilizarse.
Un equipo de ingenieros de la Universidad de Rice ha desarrollado un sistema que podría transformar las prácticas de desalinización, lo que hace que el proceso sea más adaptable, resistente y más barato. El sistema quew, descrito en un estudio publicado en Nature Water, está diseñado para ser alimentado por la luz solar y utiliza un enfoque creativo para la recuperación de calor para la producción de agua extendida, con y sin sol. A diferencia de los sistemas convencionales, la configuración está hecha de materiales no degradables y puede manejar salmueras de alta salinidad. Crédito: Jorge Vidal / Universidad de Rice
La nueva tecnología, llamada desalinización o cesro de intercambio de energía resonante solar térmico, aprovecha el flujo de agua y el flujo de aire utilizando ideas de la física de sistemas resonantes como péndulos y circuitos eléctricos. En los sistemas resonantes, la energía oscila naturalmente entre diferentes formas en un ciclo de repetición, lo que lo hace de manera más eficiente a frecuencias “resonantes” específicas.
En lugar de la energía alterna entre el potencial y la cinética como en un péndulo o rebotando de un lado a otro entre un campo magnético y eléctrico como en un circuito eléctrico sintonizado, la carrera se trata de conservar la energía intercambiada entre dos fluidos de contraproducción: una corriente de agua salina calentada y un flujo de aire. Cuando se ajusta correctamente, el calor oscila entre estas dos corrientes en un patrón resonante, almacenando y transferiendo eficientemente la energía térmica incluso cuando el sol se retira detrás de las nubes o el horizonte.
Debido a esta “transferencia de energía resonante” autónoma, STRED no requiere tecnologías de almacenamiento de energía externas, que se suman a la carga de costo y mantenimiento del sistema general.
“Nuestra innovación clave es utilizar ideas de la ingeniería eléctrica y la física de los osciladores para informar el ajuste de los caudales internos del sistema para que coincidan con la potencia de cambio del sol durante todo el día”, dijo Schmid. “Este control de flujo dependiente de la luz no se ha hecho antes”.
Aleida Machorro-Orortiz, estudiante de posgrado en el programa de posgrado de física aplicada en Rice y primera autora en el estudio junto con Schmid, dijo que el sistema opera “de manera robusta y con un mantenimiento mínimo durante todo el día”.
El rendimiento prevista de un día de día para los perfiles de intensidad solar registrados medidos el 13 de mayo de 2022 en diferentes lugares en todo el oeste de los Estados Unidos. Crédito: Nature Water (2025). Doi: 10.1038/s44221-025-00438-3
El sistema se probó en San Marcos, Texas, produciendo hasta 0,75 litros de agua potable por hora en su forma prototipo. El equipo también realizó una gama de simulaciones utilizando perfiles de intensidad solar de diferentes lugares en los EE. UU., Desde nublado Portland, Oregon, hasta Albuquerque, Nuevo México. En general, la eficiencia de recuperación del agua de Streed superó a los sistemas con tasas de flujo estático en un 77% para una semana representativa.
“Esto respalda la idea de que, si bien el sistema se beneficia de ubicaciones soleadas en términos de producción total de agua dulce, lograr una alta eficiencia de energía a agua no depende de la alta intensidad solar”, dijo Machorro-Ortiz.
La mayoría de las plantas de desalinización utilizan la tecnología de ósmosis inversa (RO), que no puede tratar el agua de alta salinidad de manera efectiva debido a las limitaciones basadas en la membrana. Las tasas de recuperación del agua dulce de RO del agua de mar son 35-50%, y el resto generalmente se descartan como agua hipersalina. Mientras tanto, Stroed puede manejar altas salinidades sin una disminución significativa en la producción o calidad de agua.
Streed también reemplaza las delicadas membranas que se encuentran en muchos sistemas de desalinización con algo mucho más simple: el aire. En lugar de un diseño de canal de dos líquidos más tradicional separado por una membrana, el equipo utiliza un solo canal calentado de agua contaminada o salada y un canal adyacente de aire que transporta vapor de agua. El vapor luego se condensa en un intercambiador de calor del aire de agua, dejando atrás los contaminantes.
“El sistema es más robusto porque no tenemos ninguna membrana para fallar o romper”, dijo Alessandro Alabastri, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en Rice y autor correspondiente en el estudio. “Fuimos intencionales al usar materiales duraderos y de bajo mantenimiento para que el sistema sea fácilmente escalable y accesible”.
Más información: William Schmid et al, transferencia de energía resonante para la desalinización de la humidificación térmica solar sin membrana sin membrana, el agua de la naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s44221-025-00438-3
Proporcionado por la Universidad de Rice
Cita: Diseño escalable y de bajo mantenimiento recicla el calor para un suministro constante de agua potable fuera de la red (2025, 14 de mayo) recuperado el 14 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-scalable-maintenance—steadcles-steady-crid.html
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