Sentindo sede? Pode ser possível extrair água limpa diretamente do ar ao nosso redor. Mesmo regiões extremamente secas contêm pequenas quantidades de umidade, e certos materiais podem absorver essa umidade e liberá-la como água potável. Nos últimos anos, os pesquisadores criaram uma variedade de materiais semelhantes a esponjas que tornam possível esse tipo de “captura de água atmosférica”.
A extração da água capturada geralmente envolve calor — e uma longa espera. A maioria dos sistemas atuais depende da luz solar para aquecer esses materiais até que a umidade presa evapore e se condense em líquido. Essa etapa lenta pode levar muitas horas ou até dias.
Engenheiros do MIT agora identificaram um método muito mais rápido para recuperar essa água. Em vez de depender do aquecimento solar, a equipe utiliza vibrações ultrassônicas que soltam a umidade.
Vibrações Ultrassônicas Oferecem uma Alternativa Mais Rápida
Os pesquisadores criaram um dispositivo ultrassônico de alta frequência que vibra rapidamente. Quando um material absorvedor de água, ou “materiais sorventes”, está em cima do dispositivo, ele emite ondas de ultrassom sintonizadas para romper as ligações que mantêm as moléculas de água no lugar. Os testes mostraram que essa abordagem libera a água em minutos, enquanto sistemas acionados por calor geralmente requerem dezenas de minutos ou várias horas.
Como não utiliza calor, o dispositivo precisa de uma fonte de energia. A equipe sugere que uma pequena célula solar poderia fornecer eletricidade e também atuar como um sensor para detectar quando o material está saturado. O sistema poderia até ser programado para ativar automaticamente sempre que uma quantidade suficiente de água tiver sido acumulada. Essa automação permitiria que o sistema coletasse e liberasse água repetidamente ao longo do dia.
Um Passo Para Sistemas Práticos de Ar-Para-Água
“As pessoas têm buscado maneiras de colher água da atmosfera, o que poderia ser uma grande fonte de água, particularmente para regiões desérticas e lugares onde não há água salgada para dessalinizar,” diz Svetlana Boriskina, cientista principal do MIT no Departamento de Engenharia Mecânica. “Agora temos uma maneira de recuperar água de forma rápida e eficiente.”
Boriskina e seus coautores descrevem o dispositivo em um estudo publicado em 18 de novembro na Nature Communications. O artigo foi liderado pelo primeiro autor Ikra Iftekhar Shuvo, um estudante de pós-graduação do MIT em artes e ciências da mídia, juntamente com Carlos Díaz-Marín, Marvin Christen, Michael Lherbette e Christopher Liem.
Melhorando a Captura de Água Atmosférica
O grupo de pesquisa de Boriskina desenvolve materiais que interagem com as condições ambientais de maneiras inovadoras. Recentemente, eles exploraram a captura de água atmosférica (AWH) e como os materiais podem ser projetados para extrair umidade do ar de maneira eficiente. O objetivo a longo prazo é fornecer uma fonte confiável de água potável para comunidades que carecem de suprimentos de água doce e água salgada.
Como muitas outras equipes, eles inicialmente supuseram que os sistemas AWH colocados ao ar livre capturariam umidade durante a noite e, em seguida, dependeriam da luz solar durante o dia para liberá-la por meio de evaporação e condensação.
“Qualquer material que seja muito bom em capturar água não quer se desfazer dessa água,” explica Boriskina. “Portanto, você precisa colocar muita energia e preciosas horas para retirar a água do material.”
Uma Nova Direção Gerada pela Pesquisa com Ultrassom
A ideia para um método mais rápido surgiu após Ikra Shuvo se juntar ao grupo. Shuvo estava trabalhando com ultrassom para dispositivos médicos vestíveis, e durante discussões com Boriskina, eles perceberam que vibrações ultrassônicas poderiam acelerar dramaticamente a etapa de liberação de água na captura de água atmosférica.
“Ficou claro: temos esse grande problema que estamos tentando resolver, e agora Ikra parecia ter uma ferramenta que pode ser usada para resolvê-lo,” lembra Boriskina.
Como o Ultrassom Libera a Água
Ultrassom refere-se a ondas de pressão acústica que superam 20 quilohertz (20.000 ciclos por segundo). Essas ondas de alta frequência são invisíveis e inaudíveis para os humanos. A equipe descobriu que na frequência certa, o ultrassom pode soltar as moléculas de água do material que as mantém.
“Com o ultrassom, podemos romper precisamente as ligações fracas entre as moléculas de água e os locais onde elas estão assentes,” diz 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 sacudindo-se em gotas.”
Projetando um Atuador de Alta Frequência
Shuvo e Boriskina construíram um atuador ultrassônico especificamente para a captura de água atmosférica. No centro, há um anel cerâmico plano que vibra quando a tensão é aplicada. Ao redor dele, há outro anel contendo pequenos bicos. À medida que as gotas se soltam, elas caem pelos bicos em recipientes de coleta colocados acima e abaixo do anel vibratório.
A equipe testou o dispositivo usando materiais AWH previamente desenvolvidos. Eles colocaram pequenos pedaços de tamanho de moeda do sorvente em uma câmara de umidade em diferentes níveis de umidade até que cada amostra ficasse completamente saturada. Cada amostra foi então colocada sobre o atuador e vibrada em frequências ultrassônicas. Em todos os testes, o atuador liberou umidade suficiente para secar o material em minutos.
Aumentos de Eficiência e Potencial Prático
Os pesquisadores estimam que o método ultrassônico é 45 vezes mais eficiente do que depender do calor solar ao extrair água do mesmo material.
“A beleza deste dispositivo é que ele é completamente complementar e pode ser um complemento para quase qualquer material sorvente,” diz Boriskina. Ela imagina um sistema doméstico que usa um material de rápida absorção emparelhado com um atuador ultrassônico, cada um com aproximadamente o tamanho de uma janela. Quando o material se torna saturado, o atuador seria ativado brevemente usando energia de uma célula solar, sacudindo a água, e depois seria redefinido para outro ciclo.
“Tudo se resume a quanta água você pode extrair por dia,” diz ela. “Com o ultrassom, podemos recuperar água rapidamente e repetir o ciclo. Isso pode somar uma quantidade significativa por dia.”
Este trabalho foi apoiado, em parte, pelo MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab e pelo MIT-Israel Zuckerman STEM Fund.