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Pequeños ajustes en el diseño de una membrana han demostrado ser clave para mejorar una tecnología innovadora desarrollada en la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST). Esta tecnología aprovecha el calor residual generado por los paneles solares no solo para producir electricidad, sino también para desalinizar agua de mar, transformando el proceso en una solución energética eficiente y sostenible, especialmente en regiones áridas y costeras.

Los paneles solares, especialmente en áreas desérticas, tienden a calentarse significativamente, alcanzando temperaturas que superan en más de 40 grados Celsius la temperatura del aire circundante. Este calentamiento excesivo se debe a que las células fotovoltaicas de silicio, componentes principales de los paneles solares, convierten en electricidad solo una cuarta parte de la energía solar que reciben. El resto de la energía absorbida se disipa en forma de calor, lo que afecta tanto la eficiencia de los paneles como su vida útil. Estas condiciones extremas han sido un desafío recurrente en la implementación de tecnologías solares en climas cálidos.

En 2019, Peng Wang y su equipo en KAUST encontraron una forma creativa de reutilizar ese calor residual. Descubrieron que el exceso de calor, en lugar de ser una desventaja, podría aprovecharse para desalinizar agua de mar, un recurso escaso y vital en muchas de estas mismas regiones. Para ello, desarrollaron un dispositivo innovador que se coloca debajo de los paneles solares, y que utiliza el calor de las células fotovoltaicas para evaporar el agua de mar, produciendo agua dulce mediante un sistema de varias etapas.

Imagen (a)

• Photovoltaic panel: Panel fotovoltaico
• Source water: Agua fuente
• Clean water: Agua limpia
• Clean water container: Contenedor de agua limpia
• Source water container: Contenedor de agua fuente
• Wick: Mecha

Imagen (b)

• Photovoltaic panel: Panel fotovoltaico
• Source water: Agua fuente
• Clean water: Agua limpia
• Clean water container: Contenedor de agua limpia
• Source water container: Contenedor de agua fuente
• Concentrated water container: Contenedor de agua concentrada
• Inlet: Entrada
• Outlet: Salida
• Source water flow: Flujo de agua fuente

Leyenda de colores:

• Evaporation layer: Capa de evaporación
• Porous hydrophobic membrane: Membrana porosa hidrofóbica
• Recycle layer: Capa de reciclaje
• Condensation layer: Capa de condensación
• Thermal conduction layer: Capa de conducción térmica
• Thermal isolation: Aislamiento térmico
• Clean water flow: Flujo de agua limpia
• Source water flow: Flujo de agua fuente

El diseño de este dispositivo es ingenioso: el agua de mar se extrae hacia una serie de canales en capas. En el canal superior, el calor generado por los paneles solares provoca la evaporación del agua, la cual luego pasa a través de una membrana porosa hacia una capa inferior, donde se condensa y purifica. Después de pasar por tres capas de purificación, el sistema es capaz de producir hasta 1,6 litros de agua dulce por hora, lo que representa un avance significativo en la eficiencia de desalinización.

Sin embargo, a pesar de este sistema de enfriamiento basado en agua, el equipo de Wang descubrió que la temperatura operativa de los paneles solares seguía siendo elevada, lo que seguía limitando su eficiencia. Aquí es donde entraron en escena los investigadores Wenbin Wang y Sara Aleid, quienes desarrollaron un modelo teórico para analizar la relación entre ciertos parámetros de la membrana, como su grosor y porosidad, y el impacto en la temperatura de las células solares.

La conclusión fue clara: una membrana más delgada y con mayor porosidad no solo mejora el rendimiento de la desalinización, sino que también permite reducir la temperatura de los paneles solares, incrementando así la eficiencia del sistema completo. Como explicó Peng Wang, "la clave está en regular la transferencia de calor a través de la membrana hidrofóbica. Ajustando sus parámetros, logramos una mejor desalinización y una menor temperatura de la célula solar".

Tras obtener estos resultados en el laboratorio, el siguiente paso era adaptar la tecnología para su uso en el mundo real. Aquí surgió otro desafío: minimizar el consumo energético y los subproductos de desecho generados por el proceso de desalinización. Para lograrlo, el equipo se inspiró en las tecnologías utilizadas en las infusiones intravenosas, desarrollando un sistema que introduce el agua de mar mediante la gravedad, eliminando la necesidad de bombas mecánicas externas. Este enfoque no solo simplifica el sistema, sino que lo hace más eficiente energéticamente, algo crucial para su uso en comunidades sin acceso a la red eléctrica.

Además, los investigadores implementaron una solución innovadora para manejar los residuos sólidos generados por la desalinización, como las sales y minerales. Mediante el uso de un tejido especial, lograron absorber estas sales y evitar la liberación de salmuera líquida tóxica, un problema frecuente en los métodos convencionales de desalinización.

Esta combinación de avances llevó a resultados sorprendentes. Las pruebas realizadas al aire libre en el soleado campus de KAUST mostraron que el nuevo diseño no solo aumentó la producción de electricidad en un 8%, sino que también duplicó la cantidad de agua dulce generada en comparación con los sistemas anteriores. Este doble beneficio hace que la tecnología sea extremadamente prometedora para comunidades sin acceso a agua potable o electricidad, ofreciendo una solución sostenible y accesible.

Este innovador sistema podría revolucionar la vida de miles de personas en regiones costeras y áridas del mundo, donde el acceso a agua potable es un desafío diario y la energía solar representa una de las mejores alternativas para generar electricidad. Con una mayor eficiencia y un menor impacto ambiental, esta tecnología tiene el potencial de transformar la forma en que gestionamos dos recursos vitales: el agua y la energía.