Um novo sistema desenvolvido por engenheiros do MIT pode fornecer uma fonte de água potável de baixo custo para cidades áridas em todo o mundo, ao mesmo tempo que reduz os custos operacionais da usina.

Cerca de 39 por cento de toda a água doce retirada dos rios, lagos, e reservatórios nos EUA é destinado às necessidades de resfriamento de usinas de energia elétrica que usam combustíveis fósseis ou energia nuclear, e grande parte dessa água acaba flutuando em nuvens de vapor. Mas o novo sistema do MIT pode potencialmente salvar uma fração substancial dessa água perdida - e pode até mesmo se tornar uma fonte significativa de água limpa, água potável segura para as cidades costeiras, onde a água do mar é usada para resfriar as usinas locais.

O princípio por trás do novo conceito é aparentemente simples:quando o ar rico em névoa é eletrocutado por um feixe de partículas eletricamente carregadas, conhecido como íons, gotículas de água tornam-se eletricamente carregadas e, portanto, podem ser atraídas em direção a uma malha de fios, semelhante a uma tela de janela, colocados em seu caminho. As gotas então se acumulam nessa malha, escorra para uma bandeja coletora, e pode ser reaproveitado na usina ou enviado para o sistema de abastecimento de água de uma cidade.

O sistema, que é a base para uma empresa iniciante chamada Infinite Cooling que no mês passado venceu a competição de empreendedorismo de $ 100K do MIT, é descrito em um artigo publicado hoje na revista Avanços da Ciência , co-autoria de Maher Damak Ph.D. '17 e professor associado de engenharia mecânica Kripa Varanasi. Damak e Varanasi estão entre os co-fundadores da startup.

A visão de Varanasi era desenvolver sistemas de recuperação de água altamente eficientes, capturando gotas de água da névoa natural e das colunas de torres de resfriamento industriais. O projeto começou como parte da tese de doutorado da Damak, que teve como objetivo melhorar a eficiência dos sistemas de coleta de névoa que são usados ​​em muitas regiões costeiras com escassez de água como fonte de água potável. Esses sistemas, que geralmente consistem em algum tipo de malha de plástico ou metal pendurada verticalmente no caminho de bancos de névoa que rolam regularmente do mar, são extremamente ineficientes, capturando apenas cerca de 1 a 3 por cento das gotículas de água que passam por eles. Varanasi e Damak se perguntaram se havia uma maneira de fazer a malha pegar mais gotas - e encontraram uma maneira muito simples e eficaz de fazer isso.

A razão para a ineficiência dos sistemas existentes tornou-se aparente nos experimentos de laboratório detalhados da equipe:O problema está na aerodinâmica do sistema. Conforme uma corrente de ar passa por um obstáculo, como os fios dessas telas de malha de captura de névoa, o fluxo de ar desvia naturalmente em torno do obstáculo, tanto quanto o ar que flui ao redor de uma asa de avião se separa em fluxos que passam acima e abaixo da estrutura da asa. Essas correntes de ar em desvio carregam gotas que estavam indo em direção ao fio para o lado, a menos que estivessem indo direto para o centro do arame.

O resultado é que a fração de gotas capturadas é bem menor do que a fração da área de coleta ocupada pelos fios, porque as gotas estão sendo afastadas dos fios que ficam na frente delas. Apenas tornar os fios maiores ou os espaços na malha menores tende a ser contraproducente porque dificulta o fluxo de ar geral, resultando em uma redução líquida na arrecadação.

Mas quando a névoa que se aproxima é eletrocutada primeiro com um feixe de íons, o efeito oposto acontece. Não apenas todas as gotas que estão no caminho dos fios pousam sobre eles, até mesmo as gotas que estavam apontando para os orifícios da malha são puxadas em direção aos fios. Este sistema pode, portanto, capturar uma fração muito maior das gotas que passam. Como tal, poderia melhorar drasticamente a eficiência dos sistemas de captura de névoa, e a um custo surpreendentemente baixo. O equipamento é simples, e a quantidade de energia necessária é mínima.

Próximo, a equipe se concentrou em capturar água das colunas de torres de resfriamento da usina. Lá, o fluxo de vapor de água é muito mais concentrado do que qualquer névoa que ocorre naturalmente, e isso torna o sistema ainda mais eficiente. E uma vez que a captura de água evaporada é em si um processo de destilação, a água capturada é pura, mesmo que a água de resfriamento seja salgada ou contaminada. Neste ponto, Karim Khalil, outro aluno de pós-graduação do laboratório de Varanasi se juntou à equipe.

"É água destilada, que é de qualidade superior, que agora é apenas desperdiçado, "diz Varanasi." Isso é o que estamos tentando capturar. "A água poderia ser canalizada para o sistema de água potável de uma cidade, ou usado em processos que requerem água pura, como nas caldeiras de uma usina de energia, em vez de ser usado em seu sistema de resfriamento, onde a qualidade da água não importa muito.

Uma usina de energia típica de 600 megawatts, Varanasi diz, poderia capturar 150 milhões de galões de água por ano, representando um valor de milhões de dólares. Isso representa cerca de 20 a 30 por cento da água perdida nas torres de resfriamento. Com mais refinamentos, o sistema pode ser capaz de capturar ainda mais da saída, ele diz.

O que mais, uma vez que as usinas de energia já estão instaladas ao longo de muitos litorais áridos, e muitos deles são resfriados com água do mar, isso fornece uma maneira muito simples de fornecer serviços de dessalinização de água por uma pequena fração do custo de construção de uma planta de dessalinização autônoma. Damak e Varanasi estimam que o custo de instalação de tal conversão seria cerca de um terço do custo de construção de uma nova planta de dessalinização, e seus custos operacionais seriam de cerca de 1/50. O tempo de retorno para a instalação de tal sistema seria de cerca de dois anos, Varanasi diz, e não teria praticamente nenhuma pegada ambiental, não acrescentando nada ao da planta original.

“Esta pode ser uma ótima solução para enfrentar a crise global da água, "Varanasi diz." Isso poderia compensar a necessidade de cerca de 70 por cento das novas instalações de usinas de dessalinização na próxima década. "

Em uma série de experiências dramáticas de prova de conceito, Damak, Khalil, e Varanasi demonstrou o conceito construindo uma pequena versão de laboratório de uma pilha que emite uma nuvem de gotículas de água, semelhantes aos vistos em torres de resfriamento de usinas elétricas reais, e colocaram seu feixe de íons e tela de malha nele. No vídeo do experimento, uma coluna espessa de gotículas de névoa é vista saindo do dispositivo - e desaparece quase que instantaneamente assim que o sistema é ligado.

A equipe está atualmente construindo uma versão de teste em escala real de seu sistema para ser colocado na torre de resfriamento da Central de Serviços Públicos do MIT, uma usina de energia de cogeração de gás natural que fornece a maior parte da eletricidade do campus, aquecimento, e resfriamento. Espera-se que a configuração esteja pronta até o final do verão e passará por testes no outono. Os testes incluirão a tentativa de diferentes variações da malha e sua estrutura de suporte, Damak diz.

Isso deve fornecer as evidências necessárias para permitir que os operadores de usinas de energia, que tendem a ser conservadores em suas escolhas de tecnologia, para adotar o sistema. Como as usinas de energia têm uma vida útil operacional de décadas, seus operadores tendem a "ser muito avessos ao risco" e querem saber "isso foi feito em outro lugar?" Varanasi diz. Os testes da usina do campus não irão apenas "diminuir o risco" da tecnologia, mas também ajudará o campus do MIT a melhorar sua pegada hídrica, ele diz. "Isso pode ter um grande impacto no uso da água no campus."