Lasers graban una forma simple de abordar la crisis mundial del agua
En medio de la pandemia de coronavirus, las personas en los países desarrollados tienen asegurado un amplio suministro de agua limpia para lavarse las manos con la frecuencia necesaria para protegerse de la enfermedad.
Y, sin embargo, casi un tercio de la población mundial ni siquiera tiene asegurada agua potable para beber.
Los investigadores de la Universidad de Rochester han encontrado una manera de abordar este problema mediante el uso de la luz solar, un recurso al que todos pueden acceder, para evaporar y purificar el agua contaminada con una eficiencia superior al 100 por ciento.
¿Cómo es esto posible?
En un artículo en Nature Sustainability, los investigadores en el laboratorio de Chunlei Guo, profesor de óptica, demuestran cómo un estallido de pulsos láser de femtosegundo graba la superficie de una lámina normal de aluminio en un material absorbente de energía súper absorbente (que atrae agua).
Cuando se coloca en agua en un ángulo orientado hacia el sol, la superficie:
• Dibuja una película delgada de agua hacia arriba sobre la superficie del metal
• Retiene casi el 100 por ciento de la energía que absorbe del sol para calentar rápidamente el agua
• Simultáneamente, cambia los enlaces intermoleculares del agua, aumentando significativamente la eficiencia del proceso de evaporación aún más.
«Estas tres cosas juntas permiten que la tecnología funcione mejor que un dispositivo ideal con una eficiencia del 100 por ciento», dice Guo, quien también está afiliado a los programas de Física y Ciencia de Materiales de la Universidad.
«Esta es una forma simple, duradera y económica de abordar la crisis mundial del agua, especialmente en los países en desarrollo».
Los experimentos realizados en el laboratorio muestran que el método reduce la presencia de todos los contaminantes comunes, como detergentes, colorantes, orina, metales pesados y glicerina, a niveles seguros para beber.
La tecnología también podría ser útil en los países desarrollados para aliviar la escasez de agua en áreas afectadas por la sequía y para proyectos de desalinización de agua, dice Guo.
Fácil de limpiar, fácil de apuntar
El uso de la luz solar para hervir ha sido reconocido desde hace mucho tiempo como una forma de eliminar los patógenos microbianos y reducir las muertes por infecciones diarreicas.
Pero el agua hirviendo no elimina metales pesados y otros contaminantes.
Sin embargo, la purificación de agua con base solar puede reducir en gran medida estos contaminantes porque casi todas las impurezas quedan atrás cuando el agua que se evapora se vuelve gaseosa y luego se condensa y se recoge.
El método más común de evaporación de agua con base solar es el calentamiento por volumen, en el que se calienta un gran volumen de agua, pero solo la capa superior puede evaporarse.
Obviamente, esto es ineficiente, dice Guo, porque solo se utiliza una pequeña fracción de la energía de calefacción.
Un enfoque más eficiente, llamado calentamiento interfacial, coloca materiales flotantes, absorbentes y absorbentes de varias capas encima del agua, de modo que solo el agua cerca de la superficie necesita ser calentada.
Pero todos los materiales disponibles tienen que flotar horizontalmente sobre el agua y no pueden mirar directamente al sol, dice Guo.
Por lo tanto, el enfoque es menos eficiente energéticamente. Además, los materiales absorbentes disponibles se obstruyen rápidamente con los contaminantes que quedan después de la evaporación, lo que requiere un reemplazo frecuente de los materiales.
El panel desarrollado por el laboratorio Guo evita estas ineficiencias al extraer una capa delgada de agua del depósito y directamente sobre la superficie del absorbedor solar para su calentamiento y evaporación.
Además, debido a que utilizamos una superficie con ranuras abiertas, es muy fácil de limpiar simplemente rociándola. La mayor ventaja «, agrega,» es que el ángulo de los paneles se puede ajustar continuamente para enfrentar directamente al sol a medida que sale y luego se mueve a través del cielo antes de ponerse «, maximizando la absorción de energía». Simplemente no había nada más parecido qué podemos hacer aquí «.
Chunlei Guo, Profesor, Departamento de Óptica, Universidad de Rochester.
Lo último en series de aplicaciones
El proyecto fue apoyado por fondos de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU.
«El Ejército y sus guerreros corren sobre el agua, por lo que hay un interés particular en la investigación de materiales básicos que podría conducir a tecnologías avanzadas para generar agua potable», dijo Evan Runnerstrom, gerente de programa, Oficina de Investigación del Ejército, un elemento de las capacidades de combate del Ejército de los EE. UU. Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo.
«Las propiedades de absorción de luz y superdeformación de estas superficies de aluminio pueden permitir la purificación de agua pasiva o de baja potencia para sostener mejor al guerrero en el campo».
Además de utilizar la tecnología de grabado láser de femto-segundo para crear metales superhidrofóbicos (repelentes al agua), superhidrófilos (que atraen el agua) y que absorben la energía súper, el laboratorio Guo ha creado estructuras metálicas que no se hunden, no importa cuán a menudo se vean obligados a entrar agua o cuánto está dañado o perforado.
Antes de crear el metal que atrae y repele el agua, Guo y su asistente, Anatoliy Vorobyev, demostraron el uso de pulsos láser de femto-segundo para convertir casi cualquier tono de metal negro.
Las estructuras superficiales creadas en el metal fueron increíblemente efectivas para capturar la radiación entrante, como la luz. Pero también capturaron la luz en una amplia gama de longitudes de onda.
Posteriormente, su equipo utilizó un proceso similar para cambiar el color de una gama de metales a varios colores, como azul, oro y gris.
Las aplicaciones podrían incluir la fabricación de filtros de color y dispositivos espectrales ópticos, utilizando un solo láser en una fábrica de automóviles para producir automóviles de diferentes colores; o proponiendo un anillo de compromiso dorado que combine con el color de los ojos azules de tu prometida.
El laboratorio también utilizó la técnica inicial de metal negro y de color para crear una matriz única de estructuras de nano y microescala en la superficie de un filamento de tungsteno regular, lo que permite que una bombilla brille más intensamente con el mismo uso de energía.
