Este nuevo dispositivo recolector de agua promete solucionar la crisis hídrica mundial sin necesidad de electricidad

En un laboratorio de un almacén del sur de California, el científico Heng Su desvela lo que podría ser una solución a la crisis mundial del agua que cambiaría el mundo. El pequeño objeto portátil tiene un aspecto anodino, formado por aletas blancas apiladas que recuerdan a un radiador de apartamento anticuado en miniatura.

Pero cuando Su coloca el dispositivo en una balanza, aumenta de peso silenciosamente en cuestión de segundos. A medida que pasan los minutos, pesa cada vez más. Esto se debe a que el aparato recoge de forma invisible moléculas de agua del aire circundante.

A unos metros de distancia, cuatro de los recolectores de agua se encuentran dentro de una caja de plástico con forma de pajarera transparente. El aire caliente del interior desaloja las moléculas de H2O de los recolectores y un condensador transforma el vapor de agua en líquido, que gotea en un vaso de precipitados.

La tecnología, denominada marcos orgánicos metálicos (MOF), no requiere electricidad y puede producir agua con sólo la luz solar ambiental. Es la visión de la empresa emergente Atoco, con sede en Irvine, sobre cómo suministrar agua en un mundo cada vez más árido.

Se trata de un prototipo de laboratorio diseñado para producir sólo unos pocos mililitros de agua, mientras los científicos trabajan para perfeccionar la tecnología. La empresa planea construir una versión comercial a gran escala que podría producir miles de litros de agua ultrapura al día para una comunidad. Una unidad del tamaño de un aparato de aire acondicionado residencial podría suministrar agua a su casa.

“Se puede cosechar agua del aire en cualquier lugar del mundo, en cualquier época del año independientemente del nivel de humedad, sin huella de carbono”, afirma Omar Yaghi, fundador de Atoco en 2021 y profesor de química de la Universidad de California en Berkeley, pionero de los MOF.

La mitad de la población mundial sufre escasez de agua y el 25% soporta niveles extremadamente altos de estrés hídrico, según un análisis de las Naciones Unidas de 2024. Según un informe de junio, incluso en un lugar rico como California, quinta economía mundial, casi un millón de habitantes carecen de acceso a agua potable.

Mientras tanto, las olas de calor y las sequías provocadas por el cambio climático están agravando la escasez de agua en todo el mundo, sin perdonar ni a ricos ni a pobres, y las tormentas más intensas y frecuentes pueden dejar fuera de servicio las plantas de tratamiento de agua.

Pero incluso los cielos más secos contienen agua. El Servicio Geológico de Estados Unidos calcula que la atmósfera contiene 12.900 kilómetros cúbicos de agua, es decir, un 14% de lo que hay en los lagos del mundo. Los MOF ofrecen una forma única de recoger parte de ella.

Como la Tardis de Doctor Who, el material es más grande por dentro. Un gramo de MOF puede tener la superficie de un campo de fútbol. Imagínese, dice Samer Taha, Consejero Delegado de Atoco, que coge un trozo de papel y lo arruga todo lo que puede. Ahora es una fracción de su tamaño original, pero conserva la misma superficie dentro de los pliegues.

Eso es lo que hace Atoco a nivel molecular, creando estructuras cristalinas a nanoescala llenas de cavidades porosas. Sus MOF están hechos de elementos que atraen moléculas específicas, como el H2O.

La empresa empieza a cocinar sus MOF en una pequeña sala apartada del laboratorio principal de su sede. Allí, un líquido ámbar hierve en un vaso de precipitados junto a una centrifugadora que lo reducirá a polvo fino. Aquí es donde los químicos crean las moléculas orgánicas “enlazadoras”, que conectan las moléculas metálicas y proporcionan estabilidad a la estructura cristalina del MOF.

Las moléculas inorgánicas forman cavidades que sirven de depósitos microscópicos de agua para las moléculas de H2O extraídas de la atmósfera. Las primeras moléculas de agua que se adhieren al interior de las cavidades se convierten en “semillas” a las que se unen otras.

Los MOF se fabrican principalmente a partir de elementos comunes como carbono, nitrógeno, hidrógeno, cobre y aluminio. Pero Taber dice que algunas de las moléculas especializadas que necesita Atoco pueden ser caras debido a su escasez, y sus científicos están trabajando para sintetizarlas internamente en un esfuerzo por reducir costes.

En una sala contigua hay varios barriles en el suelo. El científico Jacob Kanady abre la tapa de uno de ellos, que está lleno de un polvo blanco formado por estructuras cristalinas idénticas a nanoescala. Cuando se le añade un aglutinante, el polvo se solidifica y puede convertirse en aletas para el recolector de agua del laboratorio.

Los métodos convencionales de captación de agua de la atmósfera consisten en enfriar el aire hasta que el vapor de agua se licua, un proceso que consume grandes cantidades de electricidad. Tampoco es eficaz en entornos con poca humedad. La desalinización, otra opción para producir agua en regiones áridas, requiere una inmensa cantidad de energía, afecta a la vida marina y deja residuos de salmuera.

Los MOF sortean esos obstáculos y producen agua purificada in situ sin electricidad o con muy poca. En opinión de Yaghi, son una tecnología transformadora. “Por primera vez en la historia de la humanidad se pueden modificar materiales a nivel atómico y molecular y diseñarlos con precisión para que sean adecuados para una aplicación concreta”, afirma.

Otras empresas están desarrollando MOF para la captación de agua atmosférica. Pero Atoco tiene una ventaja: Yaghi desarrolló el material y ha seguido perfeccionándolo mientras trabajaba en un campo conocido como química reticular. “Los avances del profesor Yaghi en la última década nos mantienen por delante de la competencia”, afirma Taha. No quiso decir cuándo sacará Atoco su tecnología al mercado, pero señala que “no está lejos”.

El reto al que se enfrentan Atoco y sus competidores es desarrollar procesos rentables para producir MOF en masa, según Laura Gagliardi, profesora de química e ingeniería molecular de la Universidad de Chicago que ha colaborado con Yaghi.

Atoco declinó hacer comentarios sobre el precio de fabricar sus MOF a gran escala, pero afirma que la empresa está en vías de obtener agua por 1 céntimo o menos por litro. “He trabajado con esta gente el tiempo suficiente para entender que esta tecnología funciona muy bien y se ha demostrado sobre el terreno”, afirma Gagliardi.

En agosto de 2022, Yaghi y sus colegas de la Universidad de Berkeley probaron un prototipo de cosechadora de agua manual en el Parque Nacional del Valle de la Muerte de California, uno de los lugares más secos y calurosos del planeta. Por la noche, la cosechadora absorbía moléculas de agua de la atmósfera. Durante el día, las liberaba cuando la luz del sol calentaba la cosechadora y un condensador licuaba el vapor de agua.

Con temperaturas a nivel del suelo que alcanzaban los 60 ºC y una humedad media del 14%, la cosechadora producía entre 118 mililitros y 207 mililitros de agua al día, según un artículo de 2023 que los científicos publicaron en la revista Nature Water. Aunque no es suficiente para satisfacer las necesidades diarias de una persona normal, ilustra la promesa de esta tecnología.

El agua del aire podría cambiar las reglas del juego en regiones del mundo cada vez más áridas y empobrecidas, donde la desalinización no es una opción y la captación de agua atmosférica convencional es ineficaz debido a la baja humedad.

Además, los captadores tradicionales recogen la contaminación atmosférica junto con el vapor de agua, lo que obliga a purificar el agua captada con un gasto adicional. En cambio, los MOF están diseñados para captar únicamente moléculas de H2O, filtrar los contaminantes y producir agua libre de nanoplásticos, PFAS y otros tóxicos.

“Inicialmente, estamos centrando todos nuestros esfuerzos en hacer frente a la escasez de agua e intentar operar en condiciones áridas, lo que en realidad es nuestra ventaja competitiva porque podemos cosechar agua incluso en condiciones secas, mientras que otros no pueden”, afirma Taha.

Atoco está diseñando cosechadoras de agua que sólo necesitan luz solar para funcionar o que pueden alimentarse con energías renovables. De este modo, el cosechador podría funcionar cuando no brille el sol y emplear ventiladores para introducir más moléculas en los MOF, produciendo más agua en el proceso.

El ejército estadounidense ha impulsado estos esfuerzos creando un programa de Extracción Atmosférica de Agua. En 2020, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa concedió una subvención de 14 millones de dólares a General Electric para desarrollar una tecnología MOF que pudiera suministrar agua a las tropas, y GE reclutó a Yaghi y Gagliardi para asesorar y trabajar en el proyecto.

“El dispositivo electrificado que GE está entregando ahora a DARPA suministra 22 litros de agua al día, utilizando sólo dos kilogramos de MOF”, dice Gagliardi. “Así que creo que todo esto es muy prometedor”.

En marzo, GE Verona, una empresa derivada del negocio energético de GE, anunció una empresa conjunta con la startup Montana Technologies llamada AirJoule para comercializar la tecnología. AirJoule ha desarrollado un cosechador atmosférico MOF que también proporciona aire acondicionado de bajo consumo mediante refrigeración evaporativa.

Una de las innovaciones de AirJoule consiste en aprovechar el calor generado por los MOF al adsorber moléculas de H2O para extraerlas y condensarlas. Un compresor de vacío y un condensador patentados transforman el vapor de agua en líquido.

Matt Jore, Consejero Delegado de Montana Technologies, afirma que dos grandes mercados potenciales para la tecnología de captación atmosférica de AirJoule son el ejército estadounidense, que actualmente debe transportar agua en camiones a las tropas desplegadas en lugares remotos, y los centros de datos en rápida expansión, que consumen cantidades asombrosas de agua y electricidad para su refrigeración y se han convertido en focos de tensión en regiones azotadas por la sequía.

“Los centros de datos no están autorizados por su consumo de agua, así que tenemos una gran oportunidad”, afirma.

Jore afirma que el coste de los MOF que utiliza ha bajado de 5.000 dólares el kilogramo a menos de 50 dólares el kilogramo. La empresa ha construido modelos de preproducción de la máquina y pretende empezar a fabricar los dispositivos en 2025 para el mercado del aire acondicionado.

Mientras que AirJoule considera a determinadas industrias como clientes potenciales, Taha, de Atoco, piensa a mayor escala. El mercado, dice, es cualquiera “que quiera tener un suministro de agua consistente, estable y puro y no quiera depender del agua que viene del gobierno”.

(c) 2024, Bloomberg