Tecnologia ultrassônica do MIT retira água potável do ar em minutos

Extrair a 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 retida evapore e se condense em líquido. Essa etapa lenta pode levar muitas horas ou até mesmo durar dias.

Os engenheiros do MIT identificaram agora um método muito mais rápido para recuperar esta água. Em vez de depender do aquecimento solar, a equipe usa vibrações ultrassônicas que liberam a umidade.

Vibrações ultrassônicas oferecem uma alternativa mais rápida

Os pesquisadores criaram um dispositivo ultrassônico de alta frequência que vibra rapidamente. Quando um material absorvente de água, ou “sorvente”, fica em cima do dispositivo, ele envia ondas de ultrassom ajustadas para quebrar as ligações que mantêm as moléculas de água no lugar. Os seus testes mostraram que esta abordagem liberta a água em minutos, enquanto os sistemas movidos a calor normalmente requerem dezenas de minutos ou várias horas.

Por não utilizar calor, o aparelho precisa de uma fonte de energia. A equipe sugere que uma pequena célula solar poderia fornecer eletricidade e também atuar como sensor para detectar quando o material está saturado. O sistema pode até ser configurado para ser ativado automaticamente sempre que houver acúmulo de água suficiente. Essa automação permitiria que a instalação coletasse e liberasse água repetidamente ao longo do dia.

Um passo em direção a sistemas práticos de ar-água

“As pessoas têm procurado formas de extrair água da atmosfera, o que poderia ser uma grande fonte de água, especialmente para regiões desérticas e locais onde não há sequer água salgada para dessalinizar”, diz Svetlana Boriskina, principal cientista investigadora do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “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 em 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, juntamente com Carlos Díaz-Marín, Marvin Christen, Michael Lherbette e Christopher Liem.

Melhorando a captação de água atmosférica

O grupo de pesquisa de Boriskina desenvolve materiais que interagem com as condições ambientais de formas inovadoras. Recentemente, eles exploraram a coleta de água atmosférica (AWH) e como os materiais podem ser projetados para extrair a umidade do ar de forma eficiente. 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 os sistemas AWH colocados ao ar livre absorveriam umidade durante a noite e depois dependeriam da luz solar durante o dia para liberá-la por meio de evaporação e condensação.

“Qualquer material que seja muito bom na captação de água não quer se desfazer dela”, explica Boriskina. “Portanto, você precisa investir muita energia e horas preciosas para extrair água do material.”

Uma nova direção desencadeada pela pesquisa em ultrassom

A ideia de um método mais rápido surgiu depois que Ikra Shuvo se juntou ao grupo. Shuvo estava trabalhando com ultrassom para dispositivos médicos vestíveis e, durante discussões com Boriskina, eles perceberam que as vibrações ultrassônicas poderiam acelerar drasticamente a etapa de liberação de água na coleta de água atmosférica.

“A coisa deu certo: temos um grande problema que estamos tentando resolver, e agora Ikra parecia ter uma ferramenta que pode ser usada para resolver esse problema”, lembra Boriskina.

Como o ultrassom libera água

O ultrassom refere-se a ondas de pressão acústica que excedem 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 libertar as moléculas de água do material que as contém.

“Com o ultrassom, podemos quebrar com precisão as ligações fracas entre as moléculas de água e os locais onde elas estão”, 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 se agitando em gotículas.”

Projetando um atuador de alta frequência

Shuvo e Boriskina construíram um atuador ultrassônico 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 dos bicos em recipientes de coleta colocados acima e abaixo do anel vibratório.

A equipe testou o dispositivo usando materiais AWH desenvolvidos anteriormente. Eles colocaram pequenos pedaços do sorvente do tamanho de um quarto em uma câmara de umidade em diferentes níveis de umidade até que cada amostra ficasse totalmente saturada. Cada amostra foi então colocada no atuador e vibrada em frequências ultrassônicas. Em todos os testes, o atuador liberou umidade suficiente para secar o material em poucos minutos.

Ganhos de eficiência e potencial prático

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 um complemento para quase qualquer material sorvente”, diz Boriskina. Ela imagina um sistema doméstico que utiliza um material de absorção rápida emparelhado com um atuador ultrassônico, cada um aproximadamente do tamanho de uma janela. Quando o material fica saturado, o atuador é ativado brevemente usando a energia de uma célula solar, agita a água e depois reinicia para outro ciclo.

“É tudo uma questão de quanta água você pode extrair por dia”, diz ela. “Com o ultrassom, podemos recuperar a água rapidamente e fazer ciclos continuamente. Isso pode significar muito por 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.