A extração da água capturada normalmente envolve calor – e uma longa espera. A maioria dos sistemas atuais depende da luz solar para aquecer esses materiais até que a umidade aprisionada evapore e condense em líquido. Essa etapa lenta pode levar muitas horas ou até mesmo dias.

Método Rápido com Vibrações Ultrassônicas

Engenheiros do MIT identificaram agora um método muito mais rápido para recuperar essa água. Em vez de depender do aquecimento solar, a equipe usa 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 absorvente de água, ou “sorbente”, fica sobre o dispositivo, ele emite ondas ultrassônicas sintonizadas para quebrar as ligações que mantêm as moléculas de água no lugar. Os testes mostraram que essa abordagem libera a água em minutos, enquanto os sistemas baseados em calor normalmente requerem dezenas de minutos ou várias horas.

Como não usa calor, o dispositivo precisa de uma fonte de energia. A equipe sugere que uma pequena célula solar pode 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 for acumulada. Essa automação permitiria que o sistema coletasse e liberasse água repetidamente ao longo do dia.

Um passo em direção a sistemas práticos de ar para água

“As pessoas têm procurado maneiras de colher água da atmosfera, que pode ser uma grande fonte de água, particularmente para regiões desérticas e lugares onde não há nem água salgada para dessalinizá-la”, diz Svetlana Boriskina, pesquisadora principal no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Agora temos uma maneira de recuperar água rapidamente e de forma eficiente.”

Boriskina e seus co-autores descrevem o dispositivo em um estudo publicado em 18 de novembro na Nature Communications. O artigo foi liderado pelo autor principal Ikra Iftekhar Shuvo, um estudante de graduação do MIT em artes e ciências dos meios de comunicação, junto com Carlos Díaz-Marín, Marvin Christen, Michael Lherbette e Christopher Liem.

Melhorando a Colheita de Água Atmosférica

O grupo de pesquisa de Boriskina desenvolve materiais que interagem com as condições ambientais de maneiras inovadoras. Recentemente, eles exploraram a colheita de água atmosférica (AWH) e como os materiais podem ser projetados para puxar a umidade do ar de forma eficiente. O objetivo a longo prazo é fornecer uma fonte confiável de água potável para comunidades que carecem de suprimentos de água doce e salgada.

Como muitas outras equipes, eles inicialmente assumiram que os sistemas AWH colocados ao ar livre absorveriam a umidade durante a noite e, em seguida, dependeriam da luz solar durante o dia para liberá-la por meio da evaporação e condensação.

“Qualquer material que seja muito bom em capturar água não quer se desfazer dessa água”, explica Boriskina. “Portanto, você precisa investir muito tempo e energia preciosa para puxar a água para fora do material.”

Uma Nova Direção Inspirada por Pesquisa em Ultrassom

A ideia de um método mais rápido surgiu após Ikra Shuvo se juntar ao grupo. Shuvo havia trabalhado com ultrassom em dispositivos médicos vestíveis e, durante as discussões com Boriskina, eles perceberam que vibrações ultrassônicas poderiam acelerar dramaticamente a etapa de liberação da água na colheita de água atmosférica.

“Parece que tudo se encaixou: temos um grande problema que estamos tentando resolver, e agora Ikra parecia ter uma ferramenta que poderia ser usada para resolver esse problema”, recorda Boriskina.

Como o Ultrassom Libera a Água

Ultrassom refere-se a ondas de pressão acústica que superam 20 kilohertz (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 contém.

“Com o ultrassom, podemos quebrar precisamente as ligações fracas entre as moléculas de água e os locais onde elas estão sentadas”, diz Shuvo. “É como se a água estivesse dançando com as ondas, e essa perturbação direcionada cria um momento que libera as moléculas de água, e podemos vê-las sacudindo em gotas.”

Projeto de um Atuador de Alta Frequência

Shuvo e Boriskina construíram um atuador ultrassônico especificamente para colheita de água atmosférica. No seu centro está um anel cerâmico plano que vibra quando a voltagem é aplicada. Ao seu redor está 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 vibrante.

A equipe testou o dispositivo usando materiais AWH previamente desenvolvidos. Eles colocaram pequenas amostras do sorbente em uma câmara de umidade em diferentes níveis de umidade até que cada amostra se tornasse 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 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 desse dispositivo é que é completamente complementar e pode ser um complemento para quase qualquer material sorbente”, 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 se reiniciando para um novo ciclo.

“Tudo se resume a quanto água você pode extrair por dia”, diz ela. “Com o ultrassom, podemos recuperar água rapidamente e reciclar de novo e de novo. Isso pode se acumular muito ao longo do dia.”

Este trabalho foi apoiado, em parte, pelo MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab e pelo MIT-Israel Zuckerman STEM Fund.