A escassez de água potável em algumas regiões do globo tem se tornado um problema mundial, uma vez que mais de um terço da população do planeta é afetada pela crise de abastecimento. Dessa forma, várias são as técnicas usadas para combater ou minimizar o problema de abastecimento: evaporação instantânea em vários estágios, destilação instantânea, dessalinização da água por osmose reversa, etc.

Entretanto tais tecnologias requerem uma infraestrutura bem desenvolvida e rede elétrica estável – condições nem sempre disponíveis em muitos países em desenvolvimento.

Assim, o mais atraente para essas regiões com abundância de luz solar e água do mar seria a adoção de sistemas solares passivos de dessalinização, uma vez que contam com simples configuração e operação não conectada, isto é, isolada da rede elétrica (Off-grid). Porém o alto custo da produção de água e a baixa eficiência do sistema (aproximadamente 35% de energia solar é convertida em água) tem limitado sua adoção... até agora.

Recentemente, pesquisadores do MIT e da Universidade de Shangai Jiao Tong desenvolveram um sistema solar completamente passivo que consegue providenciar mais de 1.5 galões de água potável por hora a cada metro quadrado de energia solar coletada – uma eficiência de conversão de energia solar em energia de evaporação de 385%.

O sistema TMSS

Os sistema desenvolvido pelo time é conhecido como TMSS (Thermally-localizes Multistage Solar Still) e usa múltiplas camadas de evaporadores e condensadores em forma de painéis parecidos com aqueles usados em destilar licor, alinhados em uma matriz vertical e cobertos com uma camada transparente de aerogel de sílica para isolação.

Funciona a partir da combinação da interface de aquecimento solar e da entalpia de vaporização da água, que é reciclada através de uma arquitetura de capilares alimentados em vários estágios.

Por dentro do processo

1. O absorvedor solar da primeira placa, pressionado entre a camada de aerogel de sílica transparente e as tiras de poliéster, converte a energia solar em calor. O aerogel de sílica suprime as perdas de calor do absorvedor graças a sua condutividade térmica ultra baixa e alta opacidade infravermelha.
2. O calor é transferido do absorvedor para as tiras de poliéster - presas do outro lado da placa. As tiras de poliéster conduzem a salmoura por capilaridade e essa é evaporada devido a alta temperatura. Em seguida, o vapor de água viaja através de lacuna de ar entre o evaporador e o condensador, liberando entalpia (energia) durante o caminho.
3. Já limpa, a água é coletada nos condensadores, enquanto a energia térmica é liberada de um estágio para outro, permitindo a evaporação da salmoura da próxima camada.

Assim, a energia térmica liberada da condensação da água de um estágio é usada no próximo para evaporar a água, permitindo a reciclagem da energia no TMSS.

Diferenciais do sistema

O segredo para o sucesso do sistema reside em três particularidades que otimizam o calor e a massa transportada:

• Primeiro, o jeito que ele aproveita as múltiplas camadas para dessalinizar a água. A cada estágio, o calor liberado pelo estágio anterior é aproveitado ao invés de desperdiçado. “Quando você condensa água, você libera energia” afirma Evelyn Wang, professora de engenharia mecânica e chefe do departamento de engenharia do MIT. “Se você tem mais de um estágio, você pode tirar vantagem desse calor”.
• Segundo, diferente dos coletores de calor solar convencionais nos quais a performance reside em isoladores térmicos e absorvedores solares na mesma interface, a arquitetura do TMSS divide essas funcionalidades onde a absorção solar ocorre no lado frontal enquanto a interface de aquecimento e evaporação ocorre no outro lado. Tal design permite mais flexibilidade e economia de materiais, uma vez que é possível usar qualquer absorvedor solar sem capacidade de isolamento térmico disponível no mercado.
• Por último, as camadas verticalmente alinhadas com inclinação angular ajustável reduz as perdas de calor marginais promovidas pelas insignificantes áreas de contato do evaporador e a salmoura, e permite a operação em diferentes posições solares.

Conclusão

Dessa forma, o time demonstrou que o sistema
consegue alcançar uma eficiência total de 385% na conversão de energia do sol
em energia da evaporação da água.

Adicionar mais estágios aumenta a eficiência de conversão da energia térmica em energia de evaporação, porém o custo e o volume do sistema também aumentam. O time resolveu usar 10 estágios para testar o aparelho, o qual foi alocado no terraço de um prédio do MIT. O sistema entregou água pura que excedeu o padrão de água consumida na cidade, numa taxa de 5.78 litros por metro quadrado de área solar coletada. “Isso é mais do que duas vezes a quantidade recorde produzida por quaisquer sistema solar passivo de dessalinização”, diz Wang.

É importante salientar que o trabalho de Wang não somente aperfeiçoa
a performance de sistemas solares passivos de dessalinização como também traz
uma maior compreensão física e otimizável desses sistemas. As formulas desenvolvidas
poderiam ser aplicadas para uma variedade de materiais e estruturas baseado em
diferentes escalas e locais.

Perspectivas

Para melhorar a escolha de materiais e aspectos, os cientistas
planejam ir além dos experimentos e testar a durabilidade do sistema em condições
mais realistas. Também planejam adaptar o design do aparelho em algo que seja adequado
para qualquer consumidor. A esperança é de que o sistema possa aliviar a escassez
de água em regiões em desenvolvimento onde eletricidade é insuficiente; mas água
do mar e luz solar, abundantes.

Fontes: Bioengineer; Journal of Energy & Environmental Science.

Daniel de Arruda

Graduando em Engenharia Química. Um profissional em constante transformação, com perfil voltado a inovação com criatividade, olhar questionador, disruptivo e boa comunicação. Ansioso por novas experiências e com o sonho de ser reconhecido positivamente pelo meu impacto no ambiente de trabalho.