J. Arnoldo Bautista

J. Arnoldo Bautista

Hace poco se publicó en el boletín digital  de noticias de la BBC que casi dos millones de personas se mueren al año por falta de agua potable. De hecho, apuntaba, es probable que en 15 años la mitad de la población mundial viva en áreas en las que no habrá suficiente agua para todos.

Y daban el siguiente dato: nuestro planeta contiene más de mil millones de billones de litros de H2O, pero poca se puede tomar. Más del 97% del agua en la Tierra es salada. Dos tercios del agua dulce está retenida en glaciares y capas de hielo polar. De lo que queda, la mayor parte está atrapada en el suelo o en acuíferos subterráneos. Eso deja disponible para la mayoría de los seres vivos una fracción mínima. Y la humanidad no sólo la necesita para tomar: casi todo lo que hace involucra al agua de alguna manera.

 

 

Por lo anterior cualquier esfuerzo para incrementar la disponibilidad de agua es de vital importancia para todos. Un querido amigo, ingeniero civil, nos comparte la descripción de un sistema que sin duda se sumará a los esfuerzos mundiales por contender con el grave problema de falta de agua potable. Veamos de qué se trata….

El nuevo sistema ideado por los ingenieros del MIT podría proporcionar una fuente de bajo costo de agua potable para las ciudades con problemas de agua de todo el mundo, al tiempo que reduce los costos de operación de las plantas generadoras de energía.

 

 

Alrededor del 39 por ciento del agua dulce extraída de ríos, lagos y embalses en los E.E. U.U. se destina a las necesidades de refrigeración de las centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles o energía nuclear, y gran parte de esa agua termina en la atmósfera convertido en nubes de vapor. Pero el nuevo sistema del MIT podría ahorrar una fracción sustancial de esa pérdida de agua, e incluso podría convertirse en una fuente importante de agua potable limpia y segura para las ciudades costeras donde el agua de mar se utiliza para enfriar las plantas de energía locales.

El principio detrás del nuevo concepto es engañosamente simple: cuando aire (brisa) rico en humedad  (como la niebla) se pasa por un haz de partículas cargadas eléctricamente, conocidas como iones, las gotas de agua se cargan eléctricamente y pueden ser atraídas por una malla metálica, similar a los mosquiteros de las ventanas, colocada en su trayectoria. Luego, las gotas se acumulan en esa malla, se escurren hacia un colector y pueden 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 emergente llamada “Infinite Cooling“ la cual ganó el mes pasado la Competencia Empresarial “100K” del MIT, se describe en un artículo publicado el 8 de  junio de 2018, en la revista “Science Advances”, en coautoría con el Dr. Maher Damak y con el profesor asociado de ingeniería mecánica Kripa Varanasi. Damak y Varanasi se encuentran entre los cofundadores de la nueva empresa tecnológica.

 

La visión de Varanasi era desarrollar sistemas de recuperación de agua altamente eficientes mediante la captura de gotas de agua tanto de niebla natural como de columnas de vapor 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 potable. Esos sistemas, que generalmente consisten en algún tipo de malla de plástico o metal colgada verticalmente en medio de la trayectoria de bancos de niebla que regularmente vienen 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 alguna manera de hacer que la malla atrapara más gotitas, 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. Cuando una corriente de aire pasa por un obstáculo, como es el caso los alambres en estas pantallas de malla, el flujo de aire se desvía naturalmente alrededor del obstáculo, del mismo modo que el aire que fluye alrededor del ala del avión se separa en corrientes que pasan por encima y por debajo de la estructura del ala. Así estas corrientes de aire se desvían llevándose las gotas que originalmente se dirigían hacia el alambre  hacia un lado en lugar de pasar por el centro del mismo.

El resultado es que la fracción de gotitas capturadas es mucho menor que la fracción del área de recolección ocupada por los alambres, ya que las gotitas se están apartando de los alambres que se encuentran frente a ellas. Simplemente hacer los alambres más gruesos o los espacios en la malla más pequeños tiende a ser contraproducente porque dificulta el flujo de aire total, lo que resulta en una disminución neta en la recolección.

 

 

Pero cuando la niebla entrante se le pasa primero con un haz de iones, ocurre el efecto contrario. No sólo caen sobre ellos todas las gotas que están en el camino de los alambres, sino que incluso las gotitas que apuntaban a los orificios de la malla son atraídas hacia los alambres. Este sistema puede capturar una fracción mucho más grande de las gotitas 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.

Luego, el equipo se concentró en capturar el agua de las columnas de las torres de enfriamiento de la planta de energía. 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 está 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, que ahora se desperdicia", dice Varanasi. "Eso es lo que intentamos capturar". El agua podría ser conducida al sistema de agua potable de una ciudad, o usarse 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 demasiado.

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

Además, dado que las plantas de energía ya están instaladas a lo largo de muchas costas áridas, y muchas de ellas se enfrían con agua de mar, esto permite una forma muy simple de proporcionar servicios de desalinización de agua a una pequeña fracción del costo de construir una planta desaladora independiente. Damak y Varanasi estiman que el costo de instalación de tal conversión sería aproximadamente un tercio del de una nueva planta de desalinización, y sus costos de operación serían de aproximadamente 1/50. Según Varanasi, el tiempo de recuperación de la inversión para la instalación de un sistema de este tipo sería de unos dos años, y esencialmente no tendría una huella ambiental, sin agregar nada al de la planta original.

 

 

"Esta puede ser una gran solución para abordar la crisis mundial del agua", dice Varanasi. "Podría compensar la necesidad de aproximadamente el 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, Khalil y Varanasi demostraron el concepto construyendo una pequeña versión de laboratorio de una pila que emite una nube de gotas de agua, similar a las que se ven en las torres de enfriamiento de la planta generadora de energía real, y colocada su haz de iones y su pantalla de malla. En el video del experimento, se ve una gruesa nube de gotas de niebla saliendo del dispositivo, y casi instantáneamente desaparece tan pronto como se enciende el sistema.

El equipo actualmente está construyendo una versión de prueba completa de su sistema para colocarla en la torre de enfriamiento de Central Utility Plant de MIT, una planta de cogeneración de gas natural que proporciona la mayor parte de la electricidad, calefacción y refrigeración del campus. Se espera que la instalación esté lista para el final 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 que los operadores de plantas generadoras de energía, que tienden a ser conservadores en sus elecciones de tecnología, adopten el sistema. Debido a que las centrales eléctricas tienen una vida útil operativa de décadas, sus operadores tienden a "ser muy reacios al riesgo" y quieren saber "¿esto se ha hecho en otro lugar?" dice Varanasi. Las pruebas de la planta de energía del campus no solo "reducirán el riesgo" de la tecnología, sino que también ayudarán al campus de MIT a mejorar su huella hídrica, afirma. "Esto puede tener un gran impacto en el uso del agua en el campus".

 

Fuentes:

http://news.mit.edu/2018/new-system-recovers-fresh-water-power-plants-0608

http://www.bbc.com/mundo/noticias/2014/08/140821_tierra_agua_escasez_finde_dv

 

 

podrían ayudar en viajes espaciales de larga distancia.

Cada vez con mayor frecuencia, la aplicación de conocimientos científicos está siendo el motor fundamental del desarrollo sostenible de la humanidad, y la ingeniería y el ingenio humano juegan un papel esencial en este proceso.

 

Un buen ejemplo es el proporcionado por un estimado colega, ingeniero mecánico, quién nos envía información generada en el boletín de la University of California, Riverside (UCR) donde el 19 de abril se publicó que investigadores del su “Bourns College of Engineering” han utilizado botellas de vidrio reciclables y un proceso químico de bajo costo para crear ánodos de nanosilicio, los cuales se utilizaron para fabricar baterías de iones de litio de alto rendimiento. Las baterías ampliarán la gama de vehículos eléctricos e híbridos, y proporcionarán más energía a menor costo para los dispositivos electrónicos personales tales como teléfonos celulares y computadoras portátiles.

 

 

Esta investigación se documentó en el artículo "Silicon Derived from Glass Bottles as Anode Materials for Lithium Ion Full Cell Batteries," el cual se publicó en la revista “Nature Scientific Reports”. Cengiz Ozkan, profesor de ingeniería mecánica, y Mihri Ozkan, profesora de ingeniería eléctrica de la UCR lideraron el proyecto.

 

Aún con todos los programas de reciclaje de hoy en día, miles de millones de botellas de vidrio terminan en basureros cada año, lo que llevó a los investigadores a preguntarse si el dióxido de silicio en las botellas de bebidas reciclables podría proporcionar nanopartículas de silicio de alta pureza para elaborar baterías de iones de litio.

Los ánodos de silicio pueden almacenar hasta 10 veces más energía que los ánodos de grafito convencionales, pero la expansión y la contracción durante la carga y la descarga los hacen inestables. La reducción del silicio a nanoescala ha demostrado minimizar este problema, y al combinar una forma abundante y relativamente pura de dióxido de silicio y una reacción química de bajo costo, los investigadores crearon baterías de iones de litio de media celda que almacenan casi cuatro veces más energía que los ánodos de grafito convencionales.

 

Para crear los ánodos, el equipo utilizó un proceso de tres pasos que implicó, primero triturar y moler los frascos de cristal hasta obtener un fino polvo blanco, luego con una reducción magnesiotérmica se transformar el dióxido de silicio en silicio nanoestructurado, y finalmente se recubrieron las nanopartículas de silicio con carbón para mejorar su estabilidad y propiedades de almacenamiento de energía.

Como era de esperar, las baterías de células tipo botón fabricadas con ánodos de silicio a base de botellas de vidrio superaron en gran medida a las baterías tradicionales en las pruebas de laboratorio. Los electrodos derivados de silicio de vidrio recubierto con carbono (gSi @ C) demostraron un excelente rendimiento electroquímico con una capacidad de ~ 1420 mAh/g a una velocidad de C/2 después de 400 ciclos.

 

 

Changling Li, estudiante de postgrado en ciencias de los materiales e ingeniería y autor principal del artículo de la investigación, dijo que una botella de vidrio proporciona suficiente nanosilicio para cientos de baterías de celdas de botón o de tres a cinco baterías de celdas.

 

"Comenzamos con un producto de desecho que terminaría en el basurero y creamos baterías que almacenan más energía, se cargan más rápido y son más estables que las baterías comerciales de celdas tipo botón, por lo que tenemos los candidatos más promisorios para la nueva generación de baterías de iones de litio, dijo Li.
Esta investigación es la última de una serie de proyectos dirigidos por Mihri y Cengiz Ozkan para crear ánodos de batería de iones de litio de materiales ecológicos. La investigación anterior se centró en el desarrollo y la prueba de ánodos a base de hongos portabella, arena y tierra de diatomeas (ricos en fósiles).

 

Fuente:

https://ucrtoday.ucr.edu/46307

 

 

 

Sábado, 08 Noviembre 2014 18:00

¡Estado de Guerra!: “La Résistance”

Es un tema recurrente, fatigoso, enervante, que estresa, que atemoriza, pero finalmente inevitable. Lo tenemos que confrontar simplemente porque no hay de otra: lo estamos viviendo. Esta aquí. 

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