Un dispositivo solar coreano desaliniza agua a un ritmo de 3,4 litros por hora sin electricidad

Un destilador solar ultraeficiente de Corea

Un equipo de investigación del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST), en Corea del Sur, desarrolló un dispositivo de desalinización con energía solar que registra una tasa de evaporación de 3,4 litros por metro cuadrado por hora bajo una irradiancia solar equivalente a un sol. El prototipo convierte agua de mar en agua potable sin electricidad externa: utiliza la luz solar y un material fototérmico avanzado llamado La0.7Sr0.3MnO3. El dispositivo también resuelve uno de los problemas más difíciles de la desalinización solar: la acumulación de sal en la superficie del evaporador, que bloquea la luz y reduce el rendimiento. Al dirigir la sal disuelta desde el centro caliente hacia los bordes, el sistema puede funcionar durante períodos prolongados y producir vapor de agua limpio que luego se condensa en líquido.

El trabajo, dirigido por el profesor Ji Hyun Jang, de la Escuela de Ingeniería Química y Energética de UNIST, y publicado en Advanced Energy Materials, combina una sencilla estructura absorbente de papel con una superficie fototérmica de alta eficiencia. En las pruebas de durabilidad, el dispositivo funcionó de manera estable durante dos semanas en salmueras con un 20 % de sal, una concentración muy superior a la salinidad del 3,5 % del agua de mar habitual. Según el equipo, el mismo diseño puede facilitar la recuperación de recursos: permite cristalizar y recoger la sal en los bordes, en vez de verter la salmuera concentrada de vuelta al océano.

El interés por la desalinización solar pasiva aumenta a medida que más regiones afrontan escasez de agua. Miles de millones de personas no tienen acceso constante a agua potable gestionada de forma segura, y las comunidades costeras suelen depender de plantas de ósmosis inversa alimentadas con diésel, que son costosas de operar y producen grandes volúmenes de salmuera. Un sistema modular que produzca agua dulce utilizando solo la luz solar, con poco mantenimiento y sin conexión a la red eléctrica, podría cubrir necesidades críticas en aldeas remotas, islas, granjas y operaciones de respuesta ante desastres. El dispositivo de UNIST busca atender precisamente esa necesidad: reemplaza la infraestructura de las plantas de alto rendimiento por materiales sencillos, un diseño geométrico ingenioso y luz solar.

Cómo funciona el dispositivo

El diseño de UNIST utiliza un evaporador distintivo en forma de L invertida, construido en torno a papel absorbente de agua. El papel funciona como el papel tornasol y hace subir el agua de mar por capilaridad. En la parte superior del tramo vertical hay una capa fototérmica que absorbe luz, fabricada con La0.7Sr0.3MnO3, un óxido de tipo perovskita que convierte con gran eficiencia la luz solar incidente en calor. Cuando el agua de mar llega a esta superficie caliente, se evapora rápidamente y deja atrás la sal. Luego, el vapor de agua se desplaza hasta una superficie más fría, donde se condensa y se recoge como agua dulce líquida.

Una característica clave es la dirección del flujo. El equipo diseñó un movimiento unidireccional del fluido sobre la superficie caliente que genera un gradiente de concentración de sal. Los iones disueltos migran hacia las zonas de los bordes con menor actividad del agua y cristalizan como sal sólida, donde no bloquean la luz. Este efecto de autolimpieza mantiene la zona fototérmica central expuesta a la luz solar y captura la sal en los márgenes para retirarla o reutilizarla. La geometría y el recorrido del fluido hacen el trabajo principal, lo que reduce la necesidad de bombas, membranas o limpiezas manuales frecuentes.

Por qué destaca el material La0.7Sr0.3MnO3

En el centro del dispositivo está el La0.7Sr0.3MnO3, que suele abreviarse como LSMO. Es un óxido de tipo perovskita, una clase de materiales conocida por sus propiedades ópticas y eléctricas ajustables. A diferencia de las perovskitas de haluros con plomo, habituales en las células solares, el LSMO contiene lantano, estroncio y manganeso, y no depende del plomo, que es volátil y tóxico. Esto lo hace atractivo para aplicaciones relacionadas con el agua, donde la estabilidad y la seguridad ambiental son esenciales.

El LSMO destaca como convertidor fototérmico por la forma en que gestiona los portadores de carga excitados por la luz solar. En términos sencillos, el material forma estados trampa en su estructura electrónica. Cuando la luz impulsa los electrones a estados de mayor energía, muchos se recombinan sin emitir luz y liberan su energía directamente en forma de calor. Esta vía no radiativa, denominada con frecuencia termalización, convierte una gran proporción de la energía solar incidente en calor localizado en la superficie. La liberación eficiente de calor eleva rápidamente la temperatura y acelera la evaporación con una cantidad determinada de luz solar.

Cómo aborda el problema de la sal

La incrustación de sal ha frenado durante mucho tiempo la desalinización solar. A medida que el agua se evapora, las sales disueltas se concentran y, con el tiempo, cristalizan sobre la superficie caliente. Los cristales dispersan la luz y bloquean la transferencia de calor, por lo que las tasas de evaporación caen drásticamente. Muchos sistemas anteriores funcionaban bien durante horas, pero después necesitaban una limpieza o debían detenerse para eliminar las sales mediante un enjuague. El equipo de UNIST aborda este desafío con la geometría y el control del flujo, en lugar de recurrir a recubrimientos complejos o piezas móviles.

La forma de L invertida y el flujo unidireccional generan un gradiente constante de sal que aleja los iones de la zona más caliente y mejor iluminada. Los cristales se forman y crecen en los bordes, donde resulta fácil recogerlos. En las pruebas de laboratorio, el dispositivo mantuvo su rendimiento durante dos semanas, incluso en soluciones muy salinas con un 20 % de sales disueltas en total. Esa concentración es habitual en las salmueras que se descargan de procesos industriales y supera con creces la del agua del océano abierto. Esto indica un amplio margen para operar con agua de mar en condiciones reales y un posible uso en la concentración de salmueras y la recuperación de recursos.

Las cifras de rendimiento en contexto

La tasa de evaporación registrada es de 3,40 kilogramos por metro cuadrado por hora bajo una irradiancia solar equivalente a un sol. Un sol se refiere a la luz solar de prueba estándar, de aproximadamente un kilovatio por metro cuadrado. Muchos destiladores solares pasivos producen alrededor de 0,3 a 0,4 kilogramos por metro cuadrado por hora en pruebas similares, por lo que el prototipo de UNIST funciona entre ocho y diez veces más rápido. En la práctica, la cantidad diaria de agua depende de la luz solar local a lo largo del día y de la eficiencia del condensador que vuelve a convertir el vapor en líquido. Con varias horas de sol intenso, un módulo de un metro cuadrado que opere a la tasa registrada podría producir varias decenas de litros al día. Conjuntos de varios módulos podrían aumentar aún más la producción.

Conviene distinguir entre la tasa de evaporación y la cantidad de agua potable obtenida. La cifra de laboratorio mide la masa que se desprende de la superficie caliente en forma de vapor cada hora. Los sistemas reales deben captar y condensar casi todo ese vapor en un depósito limpio, a la vez que minimizan la pérdida de calor. Un buen diseño del condensador, el aislamiento térmico y la reutilización del calor latente pueden acercar la producción total del sistema a la tasa del evaporador. El equipo de UNIST también señala que la resistencia del dispositivo a la incrustación es un factor clave para mantener una producción constante, ya que una superficie fototérmica limpia conserva la absorción de luz y la generación de calor con el paso del tiempo.

Comparación con la desalinización convencional

La ósmosis inversa predomina en la desalinización moderna. Este proceso hace pasar agua de mar a presión alta por membranas finas para producir grandes volúmenes de agua dulce destinados a ciudades e industrias. Ese rendimiento tiene sus contrapartidas. La ósmosis inversa consume varios kilovatios hora de electricidad por cada metro cúbico de agua producido, requiere un tratamiento previo para proteger las membranas y descarga salmuera concentrada que debe gestionarse de manera responsable. Las plantas requieren grandes inversiones y suelen estar conectadas a la red eléctrica o a fuentes de energía específicas.

Un evaporador solar pasivo como el diseño de UNIST prescinde de la presión, las bombas y la elevada demanda eléctrica. Produce menos agua por unidad de tiempo y superficie, pero puede funcionar sin conexión a la red, en silencio y con un mantenimiento más sencillo. La capacidad de dirigir la cristalización de la sal hacia los bordes también reduce el volumen de salmuera. En climas adecuados, un conjunto de evaporadores modulares podría abastecer de agua potable a hogares, clínicas o granjas, mientras que instalaciones de mayor tamaño podrían cubrir las necesidades de comunidades enteras. En las ciudades, es más probable que la evaporación solar complemente las plantas de alto rendimiento en vez de sustituirlas: podría servir como respaldo resiliente o como solución para barrios remotos situados en los límites de la red eléctrica.

Usos y posibilidades de implementación

El dispositivo está pensado para lugares con acceso limitado a la electricidad de la red y escasez de equipos de mantenimiento. Las comunidades insulares, las aldeas pesqueras y las granjas costeras cumplen esas condiciones. También las operaciones humanitarias posteriores a tormentas, terremotos o conflictos, cuando falla la infraestructura hídrica. El concepto del equipo es modular, por lo que puede instalarse en paneles individuales para cubrir necesidades pequeñas o en grupos para atender una demanda mayor. El bajo nivel de ruido y la ausencia de equipos de alta presión también lo hacen adecuado para escuelas y clínicas, donde la fiabilidad y la seguridad son importantes.

Como el diseño dirige la sal hacia los bordes, el sistema también puede servir para recuperar recursos. En lugar de descargar salmuera líquida concentrada, quienes lo operen pueden recoger sal seca y otros minerales cristalizados. Esto puede reducir el impacto ambiental y generar pequeñas fuentes de ingresos. El equipo ha planteado desarrollar futuras versiones que combinen muchos evaporadores en forma de L invertida en módulos de mayor tamaño, lo que facilitaría su instalación y mantenimiento en el terreno.

Ampliación de la escala y desafíos de ingeniería

Pasar de prototipos de laboratorio a equipos para uso sobre el terreno exige prestar mucha atención a los materiales, la fabricación y la gestión térmica. La mecha de papel del evaporador debe resistir durante meses los ciclos de humedad y secado, la contaminación biológica causada por organismos marinos y la exposición a la radiación ultravioleta. La superficie fototérmica debe conservar su capacidad de absorción de luz y conversión de calor con un deterioro mínimo. El LSMO es un óxido de tipo perovskita con buena estabilidad térmica, una característica favorable. Los métodos de producción serán importantes para controlar los costos. Las técnicas que permitan recubrir grandes superficies de manera uniforme a baja temperatura pueden reducir los gastos y mejorar la reproducibilidad.

La condensación y la recuperación de calor son fundamentales para la eficiencia del sistema. Cada kilogramo de vapor transporta una gran cantidad de calor latente. Los diseños que condensan el vapor sobre superficies que intercambian calor con el agua de mar entrante pueden reciclar esa energía y aumentar la producción total. Las cubiertas deben minimizar la pérdida de calor y las fugas de vapor, pero seguir siendo fáciles de limpiar. El polvo, las salpicaduras y los cristales de sal deben poder eliminarse con rutinas de limpieza sencillas. Las pruebas de durabilidad del equipo en condiciones de salinidad muy alta son alentadoras, pero los ensayos de varios meses en entornos costeros ayudarán a confirmar la resistencia a largo plazo y las necesidades de mantenimiento. Las alianzas con organizaciones de ayuda y empresas de servicios públicos locales pueden facilitar esos ensayos y orientar las decisiones de diseño según los distintos climas.

Consideraciones climáticas y de sostenibilidad

La desalinización solar ofrece claras ventajas climáticas en lugares sin conexión a la red. Sustituye la electricidad por luz solar y evita el consumo de combustible y las emisiones de los generadores diésel. Aun así, es importante tener en cuenta el impacto durante todo el ciclo de vida, desde la obtención del lantano y el estroncio hasta la fabricación de los absorbentes y las cubiertas. El uso de materiales duraderos y un ensamblaje sencillo puede prolongar la vida útil y repartir las emisiones de carbono incorporadas a lo largo de muchos años de servicio. La ausencia de bombas de alta presión reduce tanto el consumo de energía como el ruido, lo que beneficia a las comunidades costeras y la fauna silvestre.

Los residuos que produce este sistema son distintos de los de las plantas convencionales. Al cristalizar la sal en los bordes, el método de UNIST puede reducir los vertidos de salmuera concentrada en aguas cercanas a la costa. Cuando sea viable, la sal recogida puede reutilizarse en procesos industriales o devolverse de forma segura a las salinas. Esto coincide con los esfuerzos por hacer que la desalinización sea más compatible con los ecosistemas marinos y con los objetivos mundiales de desarrollo sobre agua limpia y saneamiento. A medida que el cambio climático intensifica las sequías y las olas de calor, las soluciones prácticas que convierten abundante agua de mar en agua potable segura con un consumo mínimo de energía formarán parte de muchos planes locales de adaptación.

Lo que debe saber

• Investigadores de UNIST construyeron un dispositivo de desalinización solar que no necesita electricidad y registra 3,40 kilogramos por metro cuadrado por hora bajo una irradiancia solar equivalente a un sol.
• El diseño utiliza una mecha de papel y una geometría en forma de L invertida para llevar agua de mar hasta una superficie fototérmica.
• La capa fototérmica está hecha de La0.7Sr0.3MnO3, un óxido de tipo perovskita que convierte la luz solar en calor mediante recombinación no radiativa.
• Un patrón de flujo unidireccional lleva la sal hacia los bordes, lo que reduce la incrustación y el bloqueo de la luz en el centro caliente.
• Las pruebas de durabilidad mostraron un funcionamiento estable durante dos semanas en soluciones con un 20 % de sal, una concentración superior a la del agua de mar habitual.
• Los destiladores solares pasivos habituales producen entre 0,3 y 0,4 kilogramos por metro cuadrado por hora, por lo que la tasa registrada es aproximadamente entre ocho y diez veces mayor.
• El concepto permite recoger sal y reduce los vertidos de salmuera líquida en comparación con muchos métodos convencionales.
• Los conjuntos de módulos podrían suministrar agua sin conexión a la red a aldeas, clínicas, islas y operaciones de respuesta ante desastres.
• La investigación, dirigida por el profesor Ji Hyun Jang y con el doctor Saurav Chaule como autor principal, se publicó en Advanced Energy Materials.
• Los ensayos sobre el terreno, el diseño del condensador y la fabricación a gran escala determinarán el rendimiento y los costos en condiciones reales.