Hoje, 2,2 bilhões de pessoas no mundo não têm acesso a água potável. No Brasil, cerca de 33 milhões de pessoas, ou aproximadamente 11 % da população, vivem sem acesso à água potável, conforme levantamento do Instituto Trata Brasil. Nos Estados Unidos, segundo estudo do MIT, mais de 46 milhões de pessoas sofrem com a insegurança hídrica, vivendo sem água encanada ou com água imprópria para consumo. A crescente necessidade de água potável está esgotando os recursos tradicionais, como rios, lagos e reservatórios.
Para melhorar o acesso à água potável segura e acessível, engenheiros do MIT estão recorrendo a uma fonte não convencional: o ar. A atmosfera da Terra contém milhões de bilhões de galões de água na forma de vapor. Se esse vapor puder ser capturado e condensado de forma eficiente, poderá fornecer água potável em locais onde os recursos hídricos tradicionais são inacessíveis.
Com esse objetivo em mente, a equipe do MIT desenvolveu e testou um novo coletor de água atmosférica e mostrou que ele captura vapor de água de forma eficiente e produz água potável segura em uma variedade de umidades relativas, incluindo o ar seco do deserto. O novo dispositivo é um painel vertical preto, do tamanho de uma janela, feito de um material hidrogel absorvente de água, envolto em uma câmara de vidro revestida com uma camada de resfriamento. O hidrogel se assemelha a plástico-bolha preto, com pequenas estruturas em forma de cúpula que incham quando o hidrogel absorve o vapor de água. Quando o vapor capturado evapora, as cúpulas se contraem novamente, em uma transformação semelhante a um origami. O vapor evaporado então condensa no vidro, onde pode fluir para baixo e para fora através de um tubo, como água limpa e potável.
O sistema funciona inteiramente sozinho, sem fonte de energia, ao contrário de outros projetos que exigem baterias, painéis solares ou eletricidade da rede. A equipe operou o dispositivo por mais de uma semana no Vale da Morte, Califórnia – a região mais seca da América do Norte. Mesmo em condições de baixíssima umidade, o dispositivo extraiu água potável do ar a taxas de até 160 mililitros (cerca de dois terços de uma xícara) por dia.
A equipe estima que múltiplos painéis verticais, dispostos em um pequeno conjunto, poderiam abastecer passivamente uma residência com água potável, mesmo em ambientes desérticos áridos. Além disso, a produção de água do sistema deve aumentar com a umidade, fornecendo água potável em climas temperados e tropicais. “Construímos um dispositivo em escala métrica que esperamos implementar em regiões com recursos limitados, onde até mesmo uma célula solar é difícil de acessar”, afirma Xuanhe Zhao, professor de Engenharia Mecânica e Engenharia Civil e Ambiental da Cátedra Uncas e Helen Whitaker do MIT. “É um teste de viabilidade para ampliar essa tecnologia de coleta de água. Agora, é possível construí-la em um tamanho ainda maior, ou transformá-la em painéis paralelos, para fornecer água potável à população e gerar um impacto real.”
Zhao e seus colegas apresentam os detalhes do novo projeto de coleta de água em um artigo publicado na revista Nature Water . O autor principal do estudo é o ex-pós-doutorado do MIT “Will” Chang Liu, atualmente professor assistente na Universidade Nacional de Singapura (NUS). Os coautores do MIT incluem Xiao-Yun Yan, Shucong Li e Bolei Deng, além de colaboradores de diversas outras instituições.
Capacidade de carga
Hidrogéis são materiais macios e porosos, compostos principalmente de água e uma rede microscópica de fibras poliméricas interconectadas. O grupo de Zhao no MIT explorou principalmente o uso de hidrogéis em aplicações biomédicas, incluindo revestimentos adesivos para implantes médicos, eletrodos macios e flexíveis e adesivos para imagens não invasivas. “Por meio do nosso trabalho com materiais macios, uma propriedade que conhecemos muito bem é a maneira como o hidrogel é muito bom em absorver água do ar”, diz Zhao. Pesquisadores estão explorando diversas maneiras de coletar vapor d’água para água potável. Entre as mais eficientes até o momento estão dispositivos feitos de estruturas metal-orgânicas, ou MOFs – materiais ultraporosos que também demonstraram capturar água do ar seco do deserto. No entanto, as MOFs não incham nem se esticam ao absorver água e têm capacidade limitada de transportar vapor.
Captação de água do ar
O novo coletor de água à base de hidrogel do grupo aborda outro problema fundamental em projetos semelhantes. Outros grupos projetaram coletores de água a partir de hidrogéis micro ou nanoporosos. Mas a água produzida por esses projetos pode ser salgada, exigindo filtragem adicional. O sal é um material naturalmente absorvente, e os pesquisadores incorporam sais — normalmente, cloreto de lítio — no hidrogel para aumentar a absorção de água pelo material. A desvantagem, no entanto, é que esse sal pode vazar com a água quando ela for finalmente coletada.
O novo design da equipe limita significativamente o vazamento de sal. Dentro do próprio hidrogel, eles incluíram um ingrediente extra: glicerol, um composto líquido que estabiliza naturalmente o sal, mantendo-o dentro do gel em vez de deixá-lo cristalizar e vazar com a água. O hidrogel em si tem uma microestrutura sem poros em nanoescala, o que impede ainda mais que o sal escape do material. Os níveis de sal na água coletada estavam abaixo do limite padrão para água potável segura e significativamente abaixo dos níveis produzidos por muitos outros designs baseados em hidrogel.
Além de ajustar a composição do hidrogel, os pesquisadores aprimoraram sua forma. Em vez de manter o gel como uma folha plana, eles o moldaram em um padrão de pequenas cúpulas semelhantes a plástico-bolha, que aumentam a área de superfície do gel, juntamente com a quantidade de vapor d’água que ele consegue absorver. Os pesquisadores fabricaram meio metro quadrado de hidrogel e encapsularam o material em uma câmara de vidro semelhante a uma janela. Eles revestiram o exterior da câmara com uma película de polímero especial, que ajuda a resfriar o vidro e estimula o vapor de água presente no hidrogel a evaporar e condensar no vidro. Eles instalaram um sistema de tubulação simples para coletar a água conforme ela flui pelo vidro.
Em novembro de 2023, a equipe viajou para o Vale da Morte, Califórnia, e montou o dispositivo como um painel vertical. Ao longo de sete dias, eles realizaram medições enquanto o hidrogel absorvia vapor de água durante a noite (o horário do dia em que o vapor de água no deserto é mais alto). Durante o dia, com a ajuda do sol, a água coletada evaporava do hidrogel e condensava no vidro. Durante esse período, o dispositivo funcionou em uma faixa de umidade, de 21% a 88%, e produziu entre 57 e 161,5 mililitros de água potável por dia. Mesmo nas condições mais secas, o dispositivo coletou mais água do que outros modelos com alimentação passiva e alguns com alimentação ativa.
“Este é apenas um projeto de prova de conceito, e há muitas coisas que podemos otimizar”, diz Liu. “Por exemplo, poderíamos ter um projeto multipainel. E estamos trabalhando em uma próxima geração do material para aprimorar ainda mais suas propriedades intrínsecas.” “Imaginamos que um dia será possível implementar um conjunto desses painéis, e a pegada ecológica é muito pequena porque todos são verticais”, diz Zhao, que planeja testar os painéis em muitas regiões com recursos limitados. “Assim, seria possível ter vários painéis juntos, coletando água o tempo todo, em escala residencial.”
