Novo material permite extrair água do ar de forma passiva
(blog.seas.upenn.edu)- Uma equipe de pesquisa da Universidade da Pensilvânia descobriu um novo tipo de material capaz de extrair passivamente água do ar sem energia externa
- O material tem uma estrutura que combina de forma única nanoporos hidrofílicos e um polímero hidrofóbico, permitindo capturar a umidade do ar dentro dos poros e liberá-la na superfície
- Ele aproveita com eficiência o fenômeno de condensação capilar, funcionando mesmo em baixa umidade, e se destaca por levar a água até a superfície em vez de retê-la nos poros, ao contrário de materiais anteriores
- O método de fabricação é relativamente simples e pode ser aplicado em um processo comercialmente escalável, o que amplia seu potencial de uso em dispositivos de coleta de água em regiões secas e no resfriamento de equipamentos eletrônicos
- No futuro, a equipe pretende avançar em estudos para otimizar a proporção entre hidrofobicidade e hidrofilicidade e ampliar a escala para aplicações reais
Descoberta de um novo tipo de material nanoestruturado
Pesquisadores de engenharia química da Universidade da Pensilvânia descobriram, por meio de uma observação acidental durante experimentos, um novo material nanoestruturado capaz de capturar vapor d’água do ar e liberá-lo na superfície em forma de gotículas sem energia externa
O estudo foi conduzido com a colaboração de especialistas de diferentes áreas, e espera-se que esse material possa abrir novas possibilidades de aplicação em áreas como coleta de umidade em regiões áridas e resfriamento de dispositivos eletrônicos
Elucidação do princípio a partir do processo de descoberta
- No início da pesquisa, a equipe supôs que o fenômeno das gotículas formadas na superfície era causado por fatores externos, como variações de temperatura nos equipamentos de laboratório, mas confirmou que, à medida que a espessura do material aumentava, a quantidade de água formada na superfície também crescia
- Com isso, foi possível demonstrar que, diferentemente dos materiais nanoporosos convencionais, a água condensada no interior da membrana se desloca até a superfície e aparece como gotículas
Como os nanoporos funcionam
- A coleta tradicional de água normalmente exige baixa temperatura ou alta umidade, ou requer aplicação de energia externa para resfriar a superfície
- Já esse novo material permite que o vapor d’água se condense dentro dos nanoporos mesmo em baixa umidade graças à condensação capilar
- Além disso, a umidade condensada não fica presa nos poros, mas se move até a superfície e é liberada em forma de gotículas
- O fato de que as gotículas permanecem estáveis na superfície por longos períodos, com taxa de evaporação extremamente baixa em relação à sua curvatura e tamanho, supera o que a teoria convencional previa
Verificação dos princípios básicos e características próprias
- Ao confirmar a correlação entre a espessura da membrana e a quantidade de gotículas na superfície, a equipe comprovou que o fenômeno observado não era condensação superficial, mas estava relacionado à água armazenada dentro dos poros
- Pesquisadores colaboradores externos também reproduziram o fenômeno e chamaram atenção para o potencial desse material nanoestruturado especial
Combinação equilibrada de materiais e perspectivas de aplicação
- A definição da proporção exata entre nanopartículas hidrofílicas e polietileno hidrofóbico desempenha um papel extremamente importante
- Como há uma conexão entre o reservatório oculto dentro dos poros e as gotículas na superfície, forma-se uma captura contínua da umidade do ar (um loop de feedback regenerativo)
- O material também é fácil de produzir em larga escala, usando polímeros comuns e nanopartículas
- Há potencial para diversas aplicações industriais, como coleta de água em regiões secas, superfícies para resfriamento de eletrônicos e edifícios, e revestimentos que respondem à umidade
Direções futuras da pesquisa e efeitos esperados
- Ainda há tarefas de pesquisa adicionais, como esclarecer em detalhes o mecanismo de funcionamento, otimizar a proporção entre características hidrofílicas e hidrofóbicas, ampliar a aplicação prática em larga escala e remover as gotículas coletadas da superfície
- A equipe está incorporando ao projeto do material referências a meios eficientes de gerenciamento de água em sistemas biológicos
- No longo prazo, espera-se que isso leve ao desenvolvimento de fornecimento de água limpa para regiões áridas ou de tecnologias de resfriamento ecológico que funcionem apenas com a evaporação da água
Apoio à pesquisa
- Esta pesquisa foi conduzida com apoio de diversas instituições, como a National Science Foundation (NSF) dos EUA, o Departamento de Energia e a Fundação Alfred P. Sloan
1 comentários
Comentários do Hacker News
Um novo material nanoestruturado supostamente consegue atrair e coletar água do ar sem energia externa e liberá-la na superfície, então isso me parece uma espécie de saquinho desumidificador de alta tecnologia. Sacos com cloreto de cálcio, como o Wisesorb Moisture Eliminator, absorvem umidade de ar não saturado e formam gotículas, mas depois do uso é preciso comprar outro ou fervê-lo para restaurá-lo. Neste novo material, as gotículas grudam no material e é preciso energia para removê-las. Não é como mágica, em que a água simplesmente pinga para um recipiente embaixo. Dá para secar as gotículas com papel-toalha, mas então também seria preciso energia para tirar a água do papel depois. E a expressão “desafia as leis da física” não é correta; acho que equipes de relações públicas de universidades e jornalistas de tecnologia deveriam aprender a checar duas ou três vezes com os autores e com especialistas independentes sempre que acharem que uma lei da física foi violada. Tanto a frase quanto o título enganosos vieram do material de divulgação da universidade
É uma pesquisa em andamento, e este material mostra um potencial um pouco diferente de sacos desumidificadores descartáveis como Thirsty Hippos. Os pontos corretos são que (1) não viola as leis da física e (2) ainda é preciso energia para remover as gotículas. Ainda assim, se as gotículas migrarem para a superfície, a energia necessária para liberá-las pode ser muito menor do que em métodos ativos de desumidificação, como dispositivos Peltier. Para referência, o Thirsty Hippo é um super sílica gel bastante eficaz em espaços pequenos
Obrigado pela explicação. Quando li só o título da matéria, achei que alguém tinha descoberto uma máquina de movimento perpétuo
Nas publicações em que trabalhei, quando recebíamos material de PR de universidades, falávamos diretamente com eles
É absolutamente impossível violar as leis da física. Se parecer que uma lei está errada, o problema é que a entendemos mal. Da mesma forma, é impossível “driblar” uma lei; o universo só pode fazer o que ele permite
Do artigo original: "Todas as medições foram mantidas a 20°±0.2°C por um sistema de circulação de ar, e a temperatura do filme foi controlada por uma unidade de aquecimento/resfriamento quando necessário." Ou seja, o calor latente é transferido para o dispositivo de resfriamento, e o fato de isso não ser explicitado dá a impressão de que tentaram tornar a coisa mais dramática
Outra parte digna de nota no artigo: "Quando o tamanho do NP é menor que 22nm, a umidade relativa é aproximadamente superior a 90% e ϕPE é de 0,05 a 0,35, gotículas macroscópicas de água são geradas isotermicamente" "As gotículas iniciais visíveis em microscópio óptico (escala de ~1μm) aparecem em poucos segundos após exposição a 97% de umidade relativa". Ou seja, o ar está realmente úmido a ponto de quase formar orvalho. As pessoas estão focando demais em “violação da física”, mas na prática isso parece um aprimoramento incremental de um fenômeno natural
Não vejo problema em manter a temperatura constante com um termostato. Se a superfície estivesse mais fria que o ar ambiente, abaixo do ponto de orvalho, isso explicaria, mas pelo artigo não parece ser esse o caso. Eles basicamente afirmam que gotículas macroscópicas se formam espontaneamente a partir de vapor não saturado, e isso não é permitido pela segunda lei da termodinâmica
Agora faz sentido depois da explicação. Em vez de falar como se violasse a física, seria melhor focar no que realmente está sendo melhorado. Na minha visão, esse material pode operar em temperaturas mais altas e, se a temperatura ao redor for baixa, o calor latente pode ser dissipado passivamente. Mesmo usando uma bomba de calor ativa, talvez seja possível um processo mais eficiente em altas temperaturas. Em um sistema fechado, eventualmente haveria equilíbrio, mas ele nem precisa ser totalmente fechado
Este estudo se destaca porque, ao contrário das tecnologias adsorptivas existentes, ele pode continuar puxando água do ar sem mudar de mecanismo. Talvez, se esse material pudesse ser aplicado sobre alumínio para transferir o calor latente, fosse possível imaginar um sistema que continuasse produzindo água sem energia adicional. Daria para colocar um cubo de “aletas” feito desse material em um local sombreado e um balde coletor embaixo. Seria interessante medir na prática quantos litros por dia um dispositivo assim conseguiria extrair e em quais condições. Em especial, um dispositivo passivo que remove umidade do ar sem energia poderia até ser útil para salvar vidas em situações de risco relacionadas, por exemplo, à temperatura de bulbo úmido
O fato de o calor latente realmente ser transferido para o dispositivo de resfriamento pode até ter sido omitido para dramatizar, mas seria incomum se o material ficasse mais quente que o ar ao redor nesse processo. Normalmente, para retirar umidade, é preciso reduzir ainda mais a temperatura. Talvez não seja ideal para medir a extração máxima de água, mas resfriar até a temperatura ambiente é uma tarefa muito mais fácil
A menos que haja alguma ressalva realmente importante escondida em algum lugar do artigo, o que eles afirmam parece incompatível com a segunda lei da termodinâmica. Eles dizem que gotículas se formam na superfície do nanomaterial em estado <i>isotérmico</i> e com <i>umidade relativa abaixo de 100%</i>. Isso é termodinamicamente impossível. Nessas condições, a condensação só pode ocorrer dentro de superfícies côncavas (poros), e não é possível formar gotículas convexas numa superfície plana. A explicação do artigo de que “componentes hidrofílicos podem espremer a água para fora” é absurda. Para a água se acumular em poros côncavos e passar para uma gota convexa, a pressão da água teria de ser positiva e negativa ao mesmo tempo, o que é impossível. Na minha visão, há uma destas três possibilidades: 1) superfície contaminada 2) medição errada da umidade relativa 3) uma placa fria abaixo da temperatura ambiente não foi mencionada. Link do artigo
Repostado há 4 dias: link para os comentários no HN. E eles estão divulgando isso de forma extremamente exagerada, como se realmente violasse a termodinâmica. Não é o caso, e desumidificadores já extraem água suficientemente bem com a eficiência já conhecida, então isso precisaria ter alguma outra vantagem. Mas não está claro qual seria
Não concordo com a parte de que “desumidificadores já extraem água do ar pagando o custo energético e pronto”. Na prática, desumidificadores por condensação consomem tanta eletricidade quanto um ar-condicionado, ainda liberam calor indesejado e fazem bastante barulho. Desumidificadores com dessecante são ainda menos eficientes. Se existir um jeito de retirar umidade com menos energia e menos ruído, isso seria uma mudança enorme
Na prática, isso não parece violar a termodinâmica. Dito isso, também não parece que condensar vapor d’água atmosférico exija necessariamente isso em teoria. Segundo o artigo, "[Quando PINFs nanoporosos hidrossolúveis são expostos a ambientes com umidade abaixo de 100%, observa-se a formação espontânea de gotículas macroscópicas na superfície sem resfriamento]" Link do artigo
A ideia aqui é que se poderia extrair água sem resfriar o ar. Primeiro, a umidade é captada e o material esquenta um pouco; depois, esse calor é radiado passivamente para fora. Se o sistema inteiro fosse fechado, eventualmente chegaria ao equilíbrio, mas o diferencial é justamente que ele não precisa ser fechado
Para a pergunta “não precisaria haver algo mais atraente aqui?”, minha resposta é: Windtraps, isto é, algo como as armadilhas de vento de Duna
Há comentários parecidos e repetidos aqui, então vou juntá-los como referência
Acho que, se essa tecnologia realmente se tornar prática, as aplicações serão muitas. Daria para colocar uma ao lado de cada árvore ou de cada fileira de cultivo. Dentro de casa, junto com A/C, poderia facilitar a eficiência de refrigeração e o controle de umidade. Também poderia captar água em montanhas ou prédios altos para pequena geração hidrelétrica. Poderia até servir para repor a água de piscinas
Fico me perguntando se isso poderia ser usado para criar um ótimo método de dessalinização. A ideia seria evaporar água do mar para o ar dentro de um sistema fechado até saturar a umidade e depois usar esse material para coletar a água
Foi uma pena terem usado a expressão “viola as leis da física”. Esta pesquisa é uma descoberta importante para sistemas de condensação de água, mas afirmações exageradas de que não exige energia externa são irresponsáveis. Acho que eles construíram algo parecido com uma catraca browniana. Sempre dizem que não precisa de energia externa, mas, olhando de perto, sempre existe uma diferença de temperatura e manter essa diferença exige energia externa. É bem provável que o material esteja mais frio que o ar, ou que a umidade que entra esteja mais quente que o ambiente. Também pode haver um gradiente de temperatura dentro do material, ou a iluminação do laboratório pode estar aquecendo apenas um lado. Na prática, muitos dispositivos passivos dependem da diferença entre as temperaturas do dia e da noite, e no fim essa energia vem do sol. A matéria diz que tentaram eliminar gradientes térmicos aumentando a espessura do material, mas não vejo por que isso faria sentido. Se ninguém estiver injetando energia de propósito, então esse material seria bastante eficiente, sim — desde que não tenham usado amostras refrigeradas. Mesmo assim, é triste que pareça necessário vender isso ao público como se fosse uma máquina de movimento perpétuo
Eu também entendo que universidades às vezes sintam necessidade de gerar impacto, mas acho que termos como “Passively Harvest” e “Defies Physics” devem ser usados com extremo cuidado em contexto científico. Não espero rigor de revisão por pares em um post de blog, mas esse uso de linguagem acaba fazendo mal à ciência. Acreditar que um material mágico poderia quebrar a segunda lei da termodinâmica é mais alquimia do que química
O PET é um isolante razoavelmente bom, e parece que os pesquisadores estavam tentando verificar se a causa da condensação era ou não uma diferença de temperatura. Se eles realmente controlaram tanto a temperatura quanto a umidade, então isso pode significar que o próprio material está ficando mais quente; e mesmo nesse caso, o problema poderia ser resolvido com resfriamento passivo via radiador. O fenômeno descrito neste artigo, se realmente se confirmar, pode ser uma inovação bem grande e parece plausível o bastante
Remover água da atmosfera em larga escala pode acabar sendo desastroso para os padrões climáticos da Terra. Se um país sugar água demais, talvez outro país deixe de receber chuva
A tecnologia em si é bastante interessante. Em termos mais amplos, ela parece converter o delta termodinâmico do ciclo condensação-evaporação, que normalmente pertence ao clima em grande escala, em uma propriedade do material. Se fosse possível alterar livremente o tamanho dos poros, daria para controlar a qualquer momento o equilíbrio entre entrada e saída de água de um tanque de armazenamento. Por exemplo, isso poderia ser aplicado a roupas inteligentes: no calor, abrir os poros para liberar mais água; no frio, reduzir os poros para impedir a evaporação. Eu só gostaria que tirassem a parte de “viola a física” da matéria
O que as pessoas precisam saber é que existe uma lei da física segundo a qual a energia mínima necessária para separar água do ar é muito maior do que a energia mínima para separar água de salmoura. É por isso que a dessalinização é sempre mais eficiente do que colher água do ar