Desenvolvido novo material capaz de extrair água do ar passivamente
(blog.seas.upenn.edu)- Pesquisadores da Penn Engineering descobriram uma classe de materiais nanoestruturados que reúne a umidade do ar em poros e depois a libera como gotículas na superfície, sem energia externa
- O ponto central é uma estrutura nanoporosa anfifílica que combina nanoporos hidrofílicos e um polímero hidrofóbico, permitindo condensação capilar dentro dos poros mesmo em baixa umidade
- Diferentemente de materiais nanoporosos comuns, a água não fica retida nos poros e se move para a superfície, e quanto mais espessa a membrana, maior a quantidade de água coletada
- Ao contrário da previsão de que as gotículas superficiais evaporariam rapidamente, elas permaneceram por muito tempo, o que foi interpretado como uma estrutura em que um reservatório oculto abaixo dos poros continua sendo reabastecido pelo vapor d’água do ar
- Isso pode levar à coleta passiva de água em regiões secas, superfícies de resfriamento para eletrônicos e edifícios, e revestimentos inteligentes responsivos à umidade, embora ainda reste otimizar o equilíbrio dos componentes e ampliar a produção em grande escala
Descoberta que começou com uma gotícula acidental
- Em um laboratório de engenharia química da Penn Engineering, ao testar uma combinação de nanoporos hidrofílicos com um polímero hidrofóbico, surgiram gotículas de água na superfície do material experimental
- O objetivo original não era coletar água, mas como o fenômeno inesperado se repetiu, os pesquisadores passaram a investigar sua causa
- O estudo, publicado na Science Advances, trata de um material nanoporoso anfifílico que captura a umidade do ar e a libera na superfície
- A equipe inclui Daeyeon Lee e Amish Patel, da Penn Engineering, o pesquisador de pós-doutorado Baekmin Kim, do laboratório de Lee, e Stefan Guldin, da Technical University of Munich, entre outros
Como funciona a coleta de água sem resfriamento
- A condensação em superfícies comuns normalmente exige redução de temperatura ou umidade muito alta
- Muitos métodos existentes de coleta de água também dependem de entrada de energia para resfriar a superfície ou de condições em que se forma neblina densa em ambientes úmidos
- Este material usa condensação capilar em vez de resfriamento
- É o processo em que o vapor d’água se condensa dentro de poros muito pequenos mesmo em baixa umidade
- A condensação capilar em si não é um fenômeno novo
- A diferença é que a água condensada não fica presa nos poros, mas se desloca até a superfície e aparece como gotículas de água
Origem interna confirmada por experimento com a espessura da membrana
- Inicialmente, os pesquisadores consideraram a possibilidade de a água ter simplesmente se condensado na superfície por fatores do aparato, como gradientes de temperatura no laboratório
- Para distinguir a causa, aumentaram a espessura da membrana do material e verificaram se a quantidade de água acumulada na superfície mudava
- Se a causa fosse apenas condensação superficial, a espessura da membrana não deveria afetar a quantidade de água
- Na prática, quanto mais espessa a membrana, maior foi o volume total de água coletada, o que sustenta que as gotículas na superfície vieram da água existente no interior do material
Gotículas duradouras e ciclo de reabastecimento
- Pela dimensão e curvatura, as gotículas deveriam evaporar rapidamente, mas nos experimentos permaneceram estáveis por muito tempo
- A equipe colaboradora externa também observou a membrana porosa em várias condições e ajudou a confirmar a reprodutibilidade dos resultados
- O material exibe propriedades especiais graças ao equilíbrio entre nanopartículas que atraem água e polietileno (polyethylene), um plástico que repele água
- As gotículas na superfície estão conectadas a um reservatório oculto nos poros abaixo
- Esse reservatório continua sendo reabastecido pelo vapor d’água do ar
- O equilíbrio entre componentes hidrofílicos e hidrofóbicos possibilita um loop de feedback de condensação e liberação
Desafios para expandir a coleta passiva de água e o resfriamento
- Uma vantagem do material é ser feito com polímeros comuns e nanopartículas, além de poder usar métodos de fabricação escaláveis
- As áreas potenciais de aplicação incluem:
- Dispositivos passivos de coleta de água para regiões secas
- Superfícies para resfriamento de eletrônicos ou edifícios
- Revestimentos inteligentes que respondem à umidade do ambiente
- Os pesquisadores também querem usar, no projeto de materiais melhores, a forma como células e proteínas gerenciam a água em ambientes complexos
- As próximas etapas são otimizar o equilíbrio entre componentes hidrofílicos e hidrofóbicos, fazer o scale-up para uso real e investigar maneiras de fazer com que as gotículas coletadas rolem para fora da superfície com eficiência
- No longo prazo, isso pode levar a tecnologias capazes de fornecer água limpa em climas secos usando apenas o vapor d’água do ar, ou de criar métodos de resfriamento mais sustentáveis
1 comentários
Comentários no Hacker News
A descrição de que “puxa água do ar, reúne-a nos poros e a libera na superfície sem energia externa” soa parecida com um sachê desumidificador sofisticado
Produtos como https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... absorvem água do ar insaturado usando cloreto de cálcio e formam pequenas gotículas, mas, quando se esgotam, é preciso comprar outro ou fervê-los para recuperar os cristais
No novo material, as gotículas também ficam presas ao material, então removê-las exige energia. Como elas não caem magicamente em um balde embaixo do dispositivo, não dá para “coletar” água sem energia. Dá até para passar papel-toalha, mas para extrair a água desse papel-toalha será preciso gastar energia de novo
A expressão “material que pode até contrariar as leis da física” também está errada. Equipes de divulgação universitária e jornalistas de tecnologia deveriam receber um treinamento rápido para reconfirmar com os autores e checar com especialistas independentes antes de acreditar que as leis da física foram quebradas
A frase problemática e o título que induz a erro vieram do texto da universidade: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...
Está correto que isso não quebra as leis da física e que ainda é preciso energia para desprender as gotículas. Ainda assim, se as gotículas se movem até a superfície, a energia necessária para liberá-las parece poder ser bem menor do que em métodos ativos de desumidificação, como uma junção Peltier
https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab...
Basicamente, é algo mais próximo de uma sílica-gel aprimorada
Pela Figura 4 e pela figura de simulação 3E, a condição em que algo começa a acontecer parece ser 97% de umidade relativa, depois de alguns minutos. E ainda em escala micrométrica
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Dá quase para testar em casa. Basta dissolver uma luva de polietileno em pó de sílica “liofilizado”
Se a energia necessária for baixa, pode ser uma tecnologia interessante
Combiná-lo a uma superfície absorvente ou a um sistema de transporte baseado em capilaridade poderia ajudar, mas isso ainda parece uma questão em aberto
No artigo original (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349), consta: “salvo indicação em contrário, todas as medições foram realizadas a 20° ± 0,2°C, mantidos por um sistema de circulação de ar. Quando necessário, a temperatura do filme foi controlada com um dispositivo de aquecimento/resfriamento (THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, UK)”
Ou seja, o calor latente é removido pelo dispositivo de resfriamento, mas isso não foi dito explicitamente para parecer mais dramático
Isso é ar muito úmido, quase no ponto de formar orvalho. Muita gente se concentra na formulação sensacionalista de “violação das leis da física”, mas está mais para uma melhoria gradual de um processo que ocorre naturalmente
A alegação central é que gotículas macroscópicas surgem espontaneamente a partir de vapor insaturado, e isso não é um fenômeno permitido pela segunda lei da termodinâmica
Pelo que entendo agora, em ambientes com temperatura ambiente suficientemente baixa, ele pode operar mesmo em temperaturas mais altas, de modo que o calor latente pode ser removido por radiação passiva. Mesmo usando uma bomba de calor ativa, uma temperatura mais alta pode aumentar a eficiência. Em um sistema fechado, ele acabaria chegando ao equilíbrio, mas não há necessidade de manter um sistema fechado
Talvez seja possível colocar uma camada desse material sobre alumínio para conduzir o calor latente e criar um dispositivo que produza água continuamente sem energia adicional. Dá para imaginar um “cubo” com um conjunto de aletas feitas desse material na sombra e um coletor embaixo. Seria interessante ver, depois de fabricado de fato, quantos litros por dia ele conseguiria extrair do ar ambiente e em quais condições
Um dispositivo assim poderia ser essencial em condições de temperatura de bulbo úmido perigosas para seres humanos, quando temperatura e teor de umidade são altos. Se for um dispositivo passivo que absorve água do ar sem energia, pode até salvar vidas
O espaço entre as nanopartículas é parcialmente preenchido pelo plástico, e a proporção entre plástico e partículas é a fração volumétrica de poly-ethylene (ϕPE). Eles testaram várias proporções e dizem que o comportamento de molhabilidade aparece em uma faixa específica
Experimentalmente, o artigo diz que mesmo com 70% de umidade relativa surgem pequenas gotículas dentro do material. Se for verdade, espero que exista um método para extrair gotículas com pouquíssima energia. Por exemplo, criar pontos de coleta abertos no filme, usar ultrassom para fazer as gotículas saltarem e se juntarem, ou formar o filme sobre um material que possa ficar saturado de água, facilitando a incorporação de novas gotículas ao fluxo
https://en.wikipedia.org/wiki/Volume_fraction
A menos que haja alguma pista importante escondida em algum lugar do artigo, essa alegação parece incompatível com a segunda lei da termodinâmica
Eles afirmam que gotículas de água se condensam sobre um nanomaterial a temperatura constante e umidade relativa abaixo de 100%. Pela termodinâmica que conhecemos, isso é absolutamente proibido. Nessas condições, pode haver condensação em superfícies côncavas dentro de poros, mas não se formam gotículas convexas sobre uma superfície plana
A explicação de que um componente hidrofóbico “espreme” a água para a superfície também é absurda. A condensação pararia antes de transbordar. Para que a água condensada em um poro côncavo fosse empurrada para fora como uma gotícula convexa, a pressão hidrostática teria de ser ao mesmo tempo positiva e negativa
As explicações possíveis seriam algo como: 1) superfície contaminada, 2) erro de calibração da umidade relativa, 3) omitiram uma placa de resfriamento que mantém o material mais frio que o ambiente
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
A umidade se difunde para dentro de todos os materiais e evapora conforme as regiões de menor pressão de vapor. É por isso que os lábios ficam secos a 40% de umidade relativa e úmidos a 70%
O que você está descrevendo é condensação, que ocorre quando o ar fica supersaturado por queda de temperatura, mas aqui não parece ser esse o caso
Em teoria, poderia existir um material que absorva a alta umidade do ar, promova a formação de gotículas por suas propriedades microscópicas e separe essas gotículas do ar com um material passivo, como uma camada inteligente de controle de umidade, para colher água
O que fica molhado atrai poeira e microrganismos. Com poeira e água, os microrganismos aumentam ainda mais. Em pouco tempo, líquens estariam crescendo ali
Repostado há quatro dias: https://news.ycombinator.com/item?id=44060712
Além disso, eles realmente conseguiram fazer soar como se violasse a termodinâmica. Na prática não é assim, e desumidificadores já extraem bem água do ar pelo custo de energia que se paga. Então teria de haver outro ponto de venda, mas não estou vendo
Desumidificadores por condensação custam tanto para operar quanto um ar-condicionado, geram calor indesejado e são barulhentos. Desumidificadores dessecantes são ainda menos eficientes em energia
Se houver uma forma de extrair umidade do ar com menos energia e ruído, seria algo enorme
O artigo diz: “Surpreendentemente, quando esse PINF nanopouros anfifílico é exposto a condições altamente insaturadas, isto é, umidade relativa (UR) < 100%, gotículas macroscópicas de água aparecem espontaneamente na superfície do filme, mesmo sem resfriamento”
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Primeiro obtém-se a água e, como resultado, o material aquece um pouco; depois ele pode esfriar passivamente de volta à temperatura ambiente
https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap
Eu gostaria que o comunicado à imprensa não usasse a expressão “desafia a física”. Pode ser uma descoberta importante para condensadores de água, mas afirmar que não precisa de fonte externa de energia é uma imprudência séria
Quase certamente eles criaram algum tipo de catraca browniana: https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet
As pessoas gostam de afirmar que não há fonte externa de energia, mas, olhando de perto, há uma diferença entre quente e frio, e manter essa diferença exige energia externa. Eu apostaria alto que o material está mais frio que o ambiente, ou que a umidade que entra está mais quente que o ambiente. Pode ser uma diferença dentro do próprio material, ou a iluminação do laboratório aquecendo um lado
Também há muitos dispositivos passivos que dependem do ciclo de temperatura entre dia e noite, mas isso também é energia vinda do Sol
O artigo diz que eles tentaram descartar gradientes térmicos aumentando a espessura do material, mas não entendo por que isso os descartaria. O gradiente ainda pode existir
Se eles não forneceram energia intencionalmente, provavelmente é muito eficiente, e isso ainda seria algo grande e importante. Mas parece que, para chamar a atenção do público, é preciso vender como se fosse uma máquina de movimento perpétuo, e eu não gosto disso
Mesmo sendo um post de blog, e não esperando o mesmo rigor de um artigo revisado por pares, isso acaba prejudicando a ciência. A crença de que algum material mágico vai quebrar a segunda lei da termodinâmica está mais perto da alquimia do que da química
Supondo que tenham controlado temperatura e umidade, o material deveria aquecer, o que parece ser algo que poderia ser resolvido passivamente com um dissipador de calor. Se a explicação deles estiver correta, é algo bastante grande, e parece plausível
Bem legal. Basicamente, troca-se a diferença termodinâmica necessária ao ciclo de condensação-evaporação, saindo do controle climático para o controle do material
E se, no futuro, for possível programar o tamanho dos poros? Seria possível mudar o equilíbrio de entrada/saída do reservatório quando necessário. Dá para imaginar roupas inteligentes: quando estiver quente, aumentar os poros para liberar água; quando estiver frio, reduzir os poros para que a água evapore menos
Ainda assim, a expressão “violação da física” no artigo incomoda
Sobre o tema, vale consultar https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser), https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator
O mecanismo do novo material é totalmente diferente. Parece que o ar não precisa estar saturado
Já existem materiais que removem água do ar. Nesses casos, a água permanece absorvida. Este material parece funcionar por um princípio parecido, mas a verdadeira diferença é que a água não continua absorvida
Aqui não é Reddit, mas mesmo assim
https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)
É preciso entender que a energia mínima necessária para separar água do ar é muito maior do que a energia mínima necessária para separar água de salmoura
Por causa desse fato físico, a dessalinização inevitavelmente será sempre mais eficiente do que a captação de água da atmosfera
Se houver um dispositivo que não exija insumos consumíveis adicionais, isso parece bem interessante. Há muitos lugares onde poder usar eletricidade, mas sem outros insumos materiais, pode ser uma vantagem
Se houver energia elétrica, é possível captar água do ar em qualquer lugar. A dessalinização normalmente exige transportar a água produzida no litoral até onde ela é desejada
Não faço a menor ideia se os custos de transporte podem se tornar grandes o bastante para tornar a captação de água mais eficiente
Do ponto de vista do balanço energético e da comparação com outras tecnologias, isso significa que não é necessário fornecer energia, já que a absorção e a condensação ocorrem passivamente dentro do mesmo material.
O calor obtido na absorção sai na etapa seguinte de condensação. Portanto, o impacto dessa descoberta é que ar-condicionado, desumidificadores ou o moisture vaporator da cordilheira sul deixam de precisar de energia.
Eu sempre testo IAs, e este foi um tema interessante para ver como elas pensam sobre uma tecnologia na qual o modelo provavelmente não foi treinado. O Grok analisou o processo com mais cuidado do que eu (B.S.ChemE).
https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...
Uma vez construí algo parecido no meio do Mojave usando rocha carbonática, carvão vegetal e um grande tubo de metal corrugado.
Produzia cerca de 3 galões de água por noite.
34.997387, -116.380048
Dá para ver o grande tubo saliente. Há um hotel de mineiros construído ali.