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La seda de araña artificial contribuiría a aliviar la escasez de agua

Sobre el blog

Fernando Arbe Falcón
INGENIERO AGRICOLA con experiencia en tecnología de la información y comunicaciones. He participado en proyectos de Agua y Saneamiento Rural en Perú. Actualmente me desempeño como redactor de contenidos.
  • seda araña artificial contribuiría aliviar escasez agua

En artículos previos publicados en iAgua, he tratado sobre la cosecha de agua en zonas áridas, mencionando el uso de materiales sorbentes como forma de capturar el agua atmosférica para consumo humano. Sin embargo, existen desiertos costeros que presentan niebla como consecuencia de su conformación geográfica. La niebla, a diferencia del aire húmedo caracterizado por contener vapor, consiste en pequeñas gotas de agua líquida de 1–30 μm de diámetro suspendidas en él [1]. Es una nube al ras del suelo que reduce, incluso, la visibilidad a menos de 1 km [1]. El volumen agua contenida en un metro cúbico de niebla puede alcanzar 0.5 ml. Para ilustrar esta magnitud podemos considerar que, si llenamos una piscina olímpica con niebla, la cantidad de agua que obtendríamos sería de 1.25 litros [2].

Por muchos años la forma de extracción de agua de la niebla ha sido empleando mallas colectoras llamadas también mallas atrapa niebla. La malla está expuesta a la atmósfera, y la niebla es empujada a través de ella por el viento. Las gotas contenidas se depositan en la malla, se combinan aumentando su volumen y descienden por gravedad hasta un tanque de almacenamiento, tal como se muestra en la fig. 1 a, b y c). Las mallas más empleadas son fabricadas a base de polipropileno y tejidas formando un patrón trapezoidal repetitivo (fig. 1 d y e). Estas llevan el nombre comercial de Raschel [3]. Sin embargo, existen otros tipos de mallas con patrones diferentes.


Fig. 1 (a) Esquema general de una malla colectora de agua mostrando el flujo del agua desde su capitación por la malla hasta su transporte por gravedad a un depósito; (b) la captura de agua en las cintas de la malla; (c) el proceso de agregación de gotas y descenso por gravedad; (d) tramado trapezoidal de la malla; (e) dimensiones de las cintas. (Tomado de [4][5][ 6])

El limitado alcance de los sistemas de captura de agua de niebla

La tasa de agua de niebla recolectada usando mallas varía de 1.5 a 12 litros al día por metro cuadrado [7] . Este valor fluctúa debido a factores ambientales, incluida la diferencia entre la temperatura del aire y la del punto de rocío, la velocidad y dirección del viento y la temperatura de la tierra. La fig. 2 muestra la cantidad de litros obtenidos al día por metro cuadrado de malla en diferentes localidades desérticas.


Fig. 2 Tasa de recolección de agua de niebla y número de días de niebla (entre paréntesis) que ocurre anualmente en varios lugares del desierto (adaptado de [8]) 

Estos rendimientos son bajos si consideramos que, de acuerdo a la Organización Mundial de la Salud, se necesitan entre 50 y 100 litros de agua por persona por día para garantizar la satisfacción de las necesidades más básicas y evitar la aparición de problemas de salud [9]. Asimismo, se puede observar que en la mayoría de los casos la niebla no se presenta en la totalidad de año.

Un aspecto destacable es el hecho de que los desiertos de niebla costeros aptos para extracción de agua son escasos y dispersos. Estos se encuentran en África, Asia, Australia, América del Norte y del Sur, tal como se muestra en la tabla 1.


Tabla 1 Desiertos de niebla costeros colindando con corrientes frías o sistemas de afloramiento (upwelling) oceánico. (Tomado de [10] )

Ello explica en gran medida la ubicación de los proyectos de captura de agua en desarrollo hacia el año 2015 [11] , tal como se muestra en la fig. 3.


Fig. 3 Mapa con ubicaciones marcadas que tuvieron éxito, tienen éxito o tienen el potencial de tener éxito en la recolección de niebla para la producción de agua dulce en regiones áridas o estacionalmente áridas. (Tomado de [11]) 

De esta forma, es poco probable que la recolección de niebla sea de importancia regional o nacional como suministro de agua en las condiciones actuales. El bajo rendimiento, la estacionalidad y la dispersión de las áreas aptas para la cosecha restringe la captura de agua de niebla a proyectos comunales rurales o urbano marginales de limitado alcance.

Finalmente, un elemento que pone en riesgo la sostenibilidad de estos sistemas de captura de agua es el continuo mantenimiento requerido. A pesar de que sus promotores argumentan que esta tecnología es poco costosa de operar, lo cierto es que necesita mantenimiento y supervisión regulares por parte de miembros capacitados de la comunidad beneficiaria. Estas tareas incluyen tensar cables sueltos, reparar mallas rotas y, en el peor de los casos, volver a erigirlas. Si las comunidades no están muy motivadas y dedicadas a mantener la funcionalidad del sistema, la tecnología podría enfrentarse a un desafío y a su terminación, como se ha visto en muchos países [12].

Sólo un incremento significativo en el rendimiento de la captura de agua atmosférica podría superar las limitaciones antes vistas, aumentando la población atendida y generando las economías de escala suficiente para sostenerse en el tiempo. De acuerdo a un estudio realizado, un colector de niebla tradicional solo captura alrededor del 1 al 3 por ciento de la niebla que lo atraviesa [13].  Esto pone de manifiesto el gran potencial del que posee este recurso.

La ciencia llega en auxilio

Las principales limitaciones relacionadas con las mallas son (a) la desviación aerodinámica de las gotas alrededor de las fibras, (b) el arrastre del viento sobre las gotas ya depositadas sobre las fibras, (c) la baja tasa de evacuación de las gotas retenidas lo que ocasiona obstrucciones de los orificios de las mallas. Frente a esto se están trabajando en soluciones contemplan el cambio de las formas de las mallas, así como recubrimientos especiales a las fibras [14].

Un avance importante se logró aumentando el área de captura de agua incorporando micro o nano fibras electrohiladas (electropun) en el tramado de la malla de Raschel comercial [15]. Esto permitió atrapar las gotas de menor tamaño contenidas en la niebla aumentando así la capacidad de extracción de agua tal como se muestra en la fig. 4. La fabricación de estas microfibras es ejecutada mediante un sistema de electro spinning que permite tener un control sobre el diámetro, morfología y propiedades mecánicas de la fibra, así como sus cualidades humectantes. Por ejemplo, el empleo de microfibras de Polyvinylidene fluoride (PVDF) incrementó la eficiencia de captura de agua de las fibras de Raschel en un 300% [16].


Fig. 4 (a) malla de Raschel (b) acercamiento a una cinta individual de Raschel; (c) malla de Raschel con una capa de nanofibras poliamida 6 – PA6 (d) SEM de nanofibras depositadas en la cinta de Raschel y (e) SEM red de nanofibras de PA6 entre las cintas de la malla de Raschel (tomado de [17] ) (f) malla de rachel con gotas capturadas; (g) malla de Raschel con milcro fibra de PVDF mostrando gotas capturada (tomado de [18] )

Soluciones inspiradas en la naturaleza

En años recientes, la seda de araña se ha estudiado intensamente y se ha considerado como un modelo perfecto para diseñar un colector de agua artificial [19]. La seda de araña se caracteriza por tener nudos en forma de huso (Spindle-knot) distribuidas regularmente en toda su extensión, tal como se muestra en la figura 5b. Esta configuración le permite captar las pequeñas gotas y acrecentarlas en los nudos de una forma extraordinariamente rápida, tal como se ilustra en la figura 5c. A partir de esta observación se han confeccionado fibras sintéticas reproduciendo este patrón de nudos. 

Fig. 5 (a) esquema de una tela de araña; (b) detalle de la estructura de nudos de huso; (c) representación de cómo el nudo concentra las gotas; (d) imagen SEM del nudo de huso (spindle-knot) unido a otros mediante articulaciones delgadas (slender joints) de la fibra de seda.  El ángulo del extremo del nodo (2β) es alrededor de 19°; (e) y (f) imágenes de bajo y alto aumento que muestran que el nudo de huso está entretegido aleatoriamente por nanofibrillas (tomado de [19],[20]y [21])

Siempre se puede mejorar aun más

El 17 de julio del presente año, un artículo publicado por la revista Advanced Functional Materials [22] atrajo la atención de la comunidad involucrada en esta tecnología. En él se afirmaba que un equipo de la universidad de Beihang en China había desarrollado una fibra capaz de crear 2114 veces más cantidad de gotas que otros tipos previos.

Esta hazaña fue lograda simplemente dándole a los nudos de la microfibra una estructura helicoidal tal como se muestra en la fig. 6b. En comparación con las microfibras lisas de nudo, la nueva fibra muestra un mayor rendimiento de la velocidad de humectación, la tasa de crecimiento de las gotas y la capacidad de suspensión, lo que se puede atribuir a las trayectorias helicoidales


Fig. 6 (a) Esquema de fabricación; (b) estructura helicoidal de nudos en microfibra; (c) microfibra con nudos helicoidales sin agua; (d) formación de gotas en nudos de microfibra; (e) fotografía de microfibra; (f) fotografía de microfibra capturando gotas de agua. (Tomado de [22]) 

Sin duda esta es una buena noticia teniendo en cuenta la enorme cantidad —aún no aprovechada en su totalidad— de agua disponible en la niebla, el poco impacto medioambiental que genera su extracción y su relación beneficio/costo.

 

________________________

[1] Chen, K.; Tao, Y.; Shi, W. Recent Advances in Water Harvesting: A Review of Materials, Devices and Applications. Sustainability. 2022, 14, 6244.

[2] Met Office: 8 facts about fog. Web site.

[3] Azeem, M.; Tayyab Noman, M.; Wiener, J.; Petru, M.; Louda, P. Structural design of efficient fog collectors: A review. Environmental Technology & Innovation.2020, 20, 101169.

[4] WWF. Harnessing fog could help farmers in a changing climate. World Wildlife magazine. WWF, Summer 2019.

[5] Rajaram, M.; Heng, X.; Oza, M.; Luo, Cheng. Enhancement of fog-collection efficiency of a Raschel mesh using surface coatings and local geometric changes. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2016, 508, 218-229.

[6] Holmes, R.; Rivera, J.; de la Jara, E. Large fog collectors: New strategies for collection efficiency and structural response to wind pressure. Atmospheric Research. 2015, 151, 236-249.

[7] Bharat Bhushan. Design of water harvesting towers and projections for water collection from fog and condensation. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 20 March 2020, 378, 2167.

[8] Mussie Fessehaye, Sabah A. Abdul-Wahab, Michael J. Savage, Thomas Kohler, Tseggai Gherezghiher, Hans Hurni. Fog-water collection for community use. Renewable and Sustainable Energy Reviews. January 2014, 29, 52-62.

[9] UN-Water Decade Programme on Advocacy and Communication and Water Supply and Sanitation Collaborative Council. The Human Right to Water and Sanitation Media brief. UN-Water Decade Programme on Advocacy and Communication and Water Supply and Sanitation Collaborative Council

[10] Namibia National Committee for World Heritage. Namib Sand Sea World Heritage Nomination: Nomination dossier to UNESCO for inscription into the World Heritage List. Namibia: Namibia National Commission for UNESCO, Ministry of Education, 2014. ISBN 978R99945R0R035R2

[11] Klemm, O.; Schemenauer, R.S.; Lummerich, A. et al. Fog as a Fresh-Water Resource: Overview and Perspectives. AMBIO. 2012, 41, 221–234.

[12] Gebregiorgis, M.; Sabah, A.A.; Savage, M. et al. Fog-water collection for community use. Renewable and Sustainable Energy Reviews. January 2014, 29, 52–62. DOI: 10.1016/j.rser.2013.08.063

[13] Angela Chen. Scientists are harvesting water by building fog harps and zapping the air / Water, water everywhere and not a drop to drink. The Verge. Jan 2018. 

[14] Sharifvaghefi, S.; Kazerooni, H. Fog harvesting: combination and comparison of different methods to maximize the collection efficiency. SN Applied Sciences. 31 march 2021, 3, 516.

[15] Knapczyk-Korczak, J.; Szewczyk, P.; Ura, D.; Berent, K.; Stachewicz, U. Hydrophilic nanofibers in fog collectors for increased water harvesting efficiency. RSC Advances. 2020, 10, 22335-22342. DOI:10.1039/D0RA03939J

[16] Knapczyk-Korczak, J.; Szewczyk, P.; Ura, D.; Berent, K.; Stachewicz, U. Improving water harvesting efficiency of fog collectors with electrospun random and aligned Polyvinylidene fluoride (PVDF) fibers. Sustainable Materials and Technologies. 2020, 25, e00191.

[17] Knapczyk-Korczak, J.; Szewczyk, P.; Ura, D.; Berent, K.; Stachewicz, U. Hydrophilic nanofibers in fog collectors for increased water harvesting efficiency. RSC Advances. 2020,10, 22335-22342. DOI:10.1039/D0RA03939J

[18] Knapczyk-Korczak, J.; Szewczyk, P.; Ura, D.; Bailey, R.; Bilotti, E.; Stachewicz, U. Improving water harvesting efficiency of fog collectors with electrospun random and aligned Polyvinylidene fluoride (PVDF) fibers. Sustainable Materials and Technologies. 2020, 25, e00191.

[19] Li, C., Ni, Z., & Li, Y. An Application of Bio-Inspired Superwetting Surfaces: Water Collection. New Advances in Powder Technology. IntechOpen, 2 Aug. 2023. DOI: 10.5772/intechopen.105887

[20] Li, J.; Li, J.; Sun, J.; Feng, S.; Wang, Z. Biological and Engineered Topological Droplet Rectifiers. Advanced Materials. 2019, 31, 1806501. DOI: 10.1002/adma.201806501

[21] Li, Ji.; Li, S.; Huang, J.; Khan, A.; An, B.; Zhou, X.; Liu, Z.; Zhu, M. Spider Silk‐Inspired Artificial Fibers. Advanced Science. 2021, 9, 2103965. DOI: 10.1002/advs.202103965

[22] Wang, S., Zhu, L., Yu, D., Han, X., Zhong, L., Hou, Y., Zheng, Y., Bioinspired Robust Helical-Groove Spindle-Knot Microfibers for Large-Scale Water Collection. Advanced Functional Material. 2023, 2305244.

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