Pozo de aire (condensador)

En 1900, cerca del emplazamiento de la antigua ciudad bizantina de Teodosia , Zibold, un ingeniero forestal a cargo de la zona, descubrió trece grandes pilas de piedras . ^{[ 12 ]} Cada pila cubría algo más de 900 metros cuadrados (9700 pies cuadrados ) y tenía unos 10 metros (33 pies) de altura. Los hallazgos se asociaron con los restos de tuberías de terracota de 75 milímetros (3,0 pulgadas) de diámetro que aparentemente conducían a pozos y fuentes de la ciudad. Zibold concluyó que las pilas de piedras eran condensadores que abastecían de agua a Teodosia ^{[ 13 ]} y calculó que cada pozo de aire producía más de 55 400 litros (12 200 galones imperiales ; 14 600 galones estadounidenses ) al día. ^{[ 14 ]}        

Para verificar su hipótesis, Zibold construyó un condensador de piedras apiladas a una altitud de 288 metros (945 pies) en el monte Tepe-Oba, cerca del antiguo sitio de Teodosia. El condensador de Zibold estaba rodeado por un muro de 1 metro (3 pies 3 pulgadas) de alto y 20 metros (66 pies) de ancho, alrededor de un área de recolección en forma de cuenco con drenaje. Utilizó piedras marinas de 10 a 40 centímetros (3,9 a 15,7 pulgadas) de diámetro apiladas a 6 metros (20 pies) de altura en un cono truncado de 8 metros (26 pies) de diámetro en la parte superior. La forma de la pila de piedras permitía un buen flujo de aire con un contacto térmico mínimo entre las piedras. ^{[ 3 ]}       

El condensador de Zibold comenzó a funcionar en 1912 con una producción diaria máxima que luego se estimó en 360 litros (79 galones imperiales ; 95 galones estadounidenses ) – Zibold no hizo ningún registro público de sus resultados en ese momento. ^{[ 10 ]} La base desarrolló fugas que obligaron a terminar el experimento en 1915 y el sitio fue parcialmente desmantelado antes de ser abandonado. (El sitio fue redescubierto en 1993 y limpiado.) ^{[ 3 ]} El condensador de Zibold era aproximadamente del mismo tamaño que los antiguos montones de piedra que se habían encontrado, ^{[ 3 ]} y aunque el rendimiento fue mucho menor que el rendimiento que Zibold había calculado para las estructuras originales, el experimento fue una inspiración para desarrolladores posteriores.    

Inspirado por la obra de Zibold, Chaptal construyó un pequeño pozo de aire cerca de Montpellier en 1929. El condensador de Chaptal era una estructura piramidal de hormigón de 3 metros (9,8 pies) de lado y 2,5 metros (8 pies 2 pulgadas) de alto, rellena con 8 metros cúbicos (280 pies cúbicos ) de piezas de piedra caliza de unos 7,5 centímetros (3,0 pulgadas) de diámetro. Pequeños orificios de ventilación rodeaban la parte superior e inferior de la pirámide. Estos orificios podían abrirse o cerrarse según fuera necesario para controlar el flujo de aire. La estructura se dejaba enfriar durante la noche y, durante el día, se introducía aire cálido y húmedo. El rocío se formaba en las piezas de piedra caliza y se recogía en un depósito subterráneo. La cantidad de agua obtenida variaba de 1 litro (0,22 galones imperiales ; 0,26 galones estadounidenses ) a 2,5 litros (0,55 galones imperiales ; 0,66 galones estadounidenses ) al día, dependiendo de las condiciones atmosféricas. ^{[ 15 ]}              

Chaptal no consideró su experimento un éxito. Cuando se jubiló en 1946, dejó el condensador fuera de servicio, posiblemente porque no quería dejar una instalación defectuosa que pudiera confundir a quienes posteriormente continuaran los estudios sobre pozos de aire. ^{[ 2 ]}

Wolf Klaphake fue un químico exitoso que trabajó en Berlín durante las décadas de 1920 y 1930. Durante ese tiempo, probó varios tipos de pozos de aire en Yugoslavia y en la isla de Vis, en el mar Adriático . El trabajo de Klaphake se inspiró en Zibold ^{[ 16 ]} y en las obras de Maimónides , un reconocido erudito judío que escribió en árabe hace aproximadamente 1000 años y que mencionó el uso de condensadores de agua en Palestina. ^{[ 3 ]}

Klaphake experimentó con un diseño muy simple: se despejó una ladera de montaña y se alisó con una superficie impermeable. Se le dio sombra mediante un sencillo dosel sostenido por pilares o crestas. Los lados de la estructura estaban cerrados, pero los bordes superior e inferior se dejaron abiertos. Por la noche, la ladera se enfriaría y, durante el día, la humedad se acumularía y escurriría por la superficie alisada. Aunque el sistema aparentemente funcionaba, era costoso, y Klaphake finalmente adoptó un diseño más compacto basado en una estructura de mampostería. Este diseño consistía en un edificio con forma de pan de azúcar , de unos 15 metros (49 pies) de altura, con muros de al menos 2 metros (6 pies 7 pulgadas) de espesor, con agujeros en la parte superior e inferior. El muro exterior era de hormigón para proporcionar una alta capacidad térmica, y la superficie interior era de un material poroso como la arenisca. ^{[ 17 ]} Según Klaphake:   

El edificio produce agua durante el día y se enfría durante la noche; al amanecer, el aire caliente es arrastrado hacia el interior del edificio a través de los orificios superiores por el aire más frío que sale, se enfría en la superficie fría, deposita su agua, que luego se filtra hacia abajo y se recoge en algún lugar debajo. Es erróneo pensar que este proceso solo funciona en días con rocío, ya que la superficie interior se enfría mucho más de lo esperado. En Dalmacia, ese día fue una rara excepción, ya que no se produjo agua. ^{[ 16 ]}

Se han identificado tentativamente rastros de los condensadores de Klaphake. ^{[ 18 ]}

En 1935, Wolf Klaphake y su esposa Maria emigraron a Australia. La decisión de los Klaphake de emigrar fue probablemente el resultado principal de los encuentros de Maria con las autoridades nazis; ^{[ 19 ] [ 20 ]} su decisión de establecerse en Australia (en lugar de, por ejemplo, en Gran Bretaña) estuvo influenciada por el deseo de Wolf de desarrollar un condensador de rocío. ^{[ 20 ]} Como continente árido, Australia probablemente necesitaría fuentes alternativas de agua dulce, y el Primer Ministro de Australia Meridional , a quien había conocido en Londres, había expresado interés. Klaphake hizo una propuesta específica para un condensador en el pequeño pueblo de Cook , donde no había suministro de agua potable. En Cook, la compañía ferroviaria había instalado previamente un gran condensador activo alimentado por carbón, ^{[ 21 ]} pero su funcionamiento era prohibitivamente caro, y era más barato simplemente transportar agua. Sin embargo, el gobierno australiano rechazó la propuesta de Klaphake, y este perdió interés en el proyecto. ^{[ 22 ] [ 16 ]}

Exterior

Interior.

Achille Knapen respira bien.

Knapen, quien previamente había trabajado en sistemas para eliminar la humedad de los edificios, ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} se inspiró a su vez en el trabajo de Chaptal y se dispuso a construir un ambicioso pozo aéreo ( puits aerien ) en una colina de 180 metros (590 pies) de altura en Trans-en-Provence , Francia. ^{[ 1 ] [ 26 ]} La construcción de la torre de rocío de Knapen, que comenzó en 1930, tardó 18 meses; aún se mantiene en pie hoy en día, aunque en estado ruinoso. En el momento de su construcción, el condensador despertó cierto interés público. ^{[ 27 ]} 

La torre tiene 14 metros (46 pies) de altura y muros de mampostería macizos de unos 3 metros (9,8 pies) de espesor con varias aberturas para permitir la entrada de aire. En su interior hay una enorme columna de hormigón. Por la noche, se permite que toda la estructura se enfríe, y durante el día el aire cálido y húmedo entra en la estructura a través de las aberturas superiores, se enfría, desciende y sale del edificio por las aberturas inferiores. ^{[ 28 ]} La intención de Knapen era que el agua se condensara en la columna interior fría. De acuerdo con el hallazgo de Chaptal de que la superficie de condensación debe ser rugosa y la tensión superficial debe ser lo suficientemente baja como para que el agua condensada pueda gotear, la superficie exterior de la columna central se cubrió con placas de pizarra salientes . Las pizarras se colocaron casi verticalmente para favorecer el goteo hacia una cuenca de recogida en la base de la estructura. ^{[ 3 ]} Desafortunadamente, el pozo aéreo nunca alcanzó el rendimiento esperado y no produjo más que unos pocos litros de agua al día. ^{[ 29 ]}  

A finales del siglo XX, se comprendían mucho mejor los mecanismos de condensación del rocío. La clave fue descubrir que los colectores de baja masa que pierden calor rápidamente por radiación funcionan mejor. Varios investigadores trabajaron en este método. ^{[ 30 ]} A principios de la década de 1960, se utilizaron en Israel condensadores de rocío hechos de láminas de polietileno sostenidas por una estructura simple similar a una carpa para irrigar plantas. Los árboles jóvenes que recibieron rocío y lluvia muy ligera de estos colectores sobrevivieron mucho mejor que el grupo de control plantado sin tales ayudas  ; todos se secaron durante el verano. ^{[ 31 ]} En 1986, en Nuevo México, los condensadores hechos de una lámina especial produjeron suficiente agua para abastecer a los árboles jóvenes. ^{[ 4 ]}

En 1992, un grupo de académicos franceses asistió a una conferencia sobre materia condensada en Ucrania , donde el físico Daniel Beysens les presentó la historia de cómo la antigua Teodosia se abastecía de agua mediante condensadores de rocío. Quedaron tan intrigados que en 1993 fueron a comprobarlo por sí mismos. Concluyeron que los montículos que Zibold identificó como condensadores de rocío eran, de hecho, antiguos túmulos funerarios (parte de la necrópolis de la antigua Teodosia) y que las tuberías eran de origen medieval y no estaban relacionadas con la construcción de los montículos. Encontraron los restos del condensador de Zibold, que limpiaron y examinaron detenidamente. El condensador de Zibold aparentemente había funcionado razonablemente bien, pero en realidad sus resultados exactos no están nada claros, y es posible que el colector interceptara la niebla, lo que aumentó significativamente el rendimiento. ^{[ 10 ]} Si el condensador de Zibold funcionó en algo, probablemente se debió a que algunas piedras cerca de la superficie del montículo pudieron perder calor durante la noche al estar térmicamente aisladas del suelo; sin embargo, nunca pudo haber producido el rendimiento que Zibold previó. ^{[ 2 ] [ 32 ]}

Llenos de entusiasmo, el partido regresó a Francia y creó la Organización Internacional para la Utilización del Rocío (OPUR), con el objetivo específico de poner el rocío a disposición como fuente alternativa de agua. ^{[ 33 ]}

OPUR inició un estudio de la condensación del rocío en condiciones de laboratorio; desarrollaron una película hidrofóbica especial y experimentaron con instalaciones de prueba, incluyendo un colector de 30 metros cuadrados (320 pies cuadrados ) en Córcega . ^{[ 34 ]} Entre las ideas clave se encontraba la de que la masa de la superficie de condensación debía ser lo más baja posible para que no retuviera fácilmente el calor, que debía estar protegida de la radiación térmica no deseada mediante una capa aislante y que debía ser hidrofóbica, para que la humedad condensada se desprendiera fácilmente. ^{[ 35 ]}  

Para cuando estuvieron listos para su primera instalación práctica, se enteraron de que uno de sus miembros, Girja Sharan, había obtenido una subvención para construir un condensador de rocío en Kothara, India. En abril de 2001, Sharan había notado casualmente una condensación considerable en el techo de una cabaña en Toran Beach Resort, en la árida región costera de Kutch , donde se alojaba brevemente. Al año siguiente, investigó el fenómeno más de cerca y entrevistó a los lugareños. Financiado por la Agencia de Desarrollo Energético de Gujarat y el Banco Mundial , Sharan y su equipo desarrollaron condensadores pasivos y radiativos para su uso en la árida región costera de Kutch. ^{[ 36 ]} La comercialización activa comenzó en 2006. ^{[ 37 ]}

Sharan probó una amplia gama de materiales y obtuvo buenos resultados con láminas de hierro galvanizado y aluminio , pero descubrió que las láminas del plástico especial desarrollado por OPUR de tan solo 400 micrómetros (0,016 pulgadas) de espesor generalmente funcionaban incluso mejor que las láminas de metal y eran menos costosas. ^{[ 38 ]} La película plástica, conocida como lámina OPUR, es hidrófila y está hecha de polietileno mezclado con dióxido de titanio y sulfato de bario . 

El diseño de pozo de aire de gran masa intenta enfriar una gran masa de mampostería con aire frío nocturno que ingresa a la estructura debido a las brisas o la convección natural. Durante el día, el calor del sol produce un aumento de la humedad atmosférica. Cuando el aire húmedo diurno ingresa al pozo de aire, se condensa sobre la mampostería, presumiblemente fría. Ninguno de los colectores de gran masa tuvo un buen desempeño, siendo el pozo aéreo de Knapen un ejemplo particularmente notorio.

El problema con los colectores de alta masa era que no podían eliminar suficiente calor durante la noche  , a pesar de las características de diseño destinadas a asegurar que esto sucediera. ^{[ 3 ]} Si bien algunos pensadores han creído que Zibold podría haber tenido razón después de todo, ^{[ 41 ] [ 42 ]} un artículo en Journal of Arid Environments analiza por qué los diseños de condensadores de alta masa de este tipo no pueden producir cantidades útiles de agua:

Quisiéramos destacar el siguiente punto. Para obtener condensación, la temperatura del condensador de las piedras debe ser inferior a la temperatura del punto de rocío. Cuando no hay niebla, la temperatura del punto de rocío siempre es inferior a la temperatura del aire. Los datos meteorológicos muestran que la temperatura del punto de rocío (un indicador del contenido de agua en el aire) no varía apreciablemente cuando el tiempo es estable. Por lo tanto, el viento, que en última instancia impone la temperatura del aire al condensador, no puede enfriarlo lo suficiente como para garantizar su funcionamiento. Debe operar otro fenómeno de enfriamiento  : el enfriamiento radiativo  . Por consiguiente, es durante la noche, cuando el condensador se enfría por radiación, que se puede extraer agua líquida del aire. Es muy raro que la temperatura del punto de rocío aumente significativamente hasta superar la temperatura de las piedras dentro del montón. Ocasionalmente, cuando esto sucede, el rocío puede ser abundante durante un corto período de tiempo. Por esta razón, los intentos posteriores de L. Chaptal y A. Knapen de construir condensadores de rocío masivos rara vez dieron como resultado rendimientos significativos. [Énfasis como en el original] ^{[ 2 ]}

Aunque en algunas fuentes se mencionan antiguos pozos de aire, hay escasa evidencia de ellos, y la creencia persistente en su existencia tiene el carácter de un mito moderno . ^{[ 2 ]}

Un pozo de aire radiante está diseñado para enfriar un sustrato irradiando calor hacia el cielo nocturno. El sustrato tiene una masa baja para que no pueda retener calor y está aislado térmicamente de cualquier masa, incluido el suelo. ^{[ 43 ]} Un colector radiante típico presenta una superficie de condensación en un ángulo de 30° con respecto a la horizontal. La superficie de condensación está respaldada por una capa gruesa de material aislante, como espuma de poliestireno , y se apoya a 2-3 metros (7-10 pies) sobre el nivel del suelo. Dichos condensadores pueden instalarse convenientemente en las cumbreras de edificios bajos o sostenerse mediante una estructura simple. ^{[ 44 ]} Si bien otras alturas no suelen funcionar tan bien, puede ser menos costoso o más conveniente montar un colector cerca del nivel del suelo o en un edificio de dos pisos. ^{[ 45 ]} 

Un condensador radiativo de 550 metros cuadrados (5900 pies cuadrados ), ilustrado a la izquierda, está construido cerca del suelo. En la zona del noroeste de la India donde se encuentra instalado, el rocío se produce durante 8 meses al año, y la instalación recoge unos 15 milímetros (0,59 pulgadas) de agua de rocío durante la temporada, con casi 100 noches de rocío. En un año, proporciona un total de unos 9000 litros (2000 galones imperiales ; 2400 galones estadounidenses ) de agua potable para la escuela propietaria y operadora del sitio. ^{[ 46 ]}       

Si bien los diseños planos tienen la ventaja de la simplicidad, otros diseños, como las pirámides invertidas y los conos, pueden ser significativamente más efectivos. Esto se debe probablemente a que protegen las superficies de condensación del calor no deseado irradiado por la atmósfera inferior y, al ser simétricos, no son sensibles a la dirección del viento. ^{[ 47 ]}

Los nuevos materiales podrían ser aún mejores recolectores. ^{[ 48 ]} Uno de estos materiales está inspirado en el escarabajo del desierto de Namib , que sobrevive únicamente con la humedad que extrae de la atmósfera. Se ha descubierto que su dorso está recubierto de proyecciones microscópicas: los picos son hidrófilos y los valles hidrófobos. ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]} Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts han emulado esta capacidad creando una superficie texturizada que combina materiales hidrófobos e hidrófilos alternados. ^{[ 52 ]}

Los colectores activos de agua atmosférica se utilizan desde la comercialización de la refrigeración mecánica . Básicamente, basta con enfriar un intercambiador de calor por debajo del punto de rocío para que se produzca agua. Esta producción de agua puede tener lugar como subproducto , posiblemente no deseado, de la deshumidificación . ^{[ 3 ]} El sistema de aire acondicionado del Burj Khalifa en Dubái , por ejemplo, produce aproximadamente 15 millones de galones estadounidenses (57 000 m³ ^{) de agua al año} , que se utiliza para regar las plantas del paisaje de la torre. ^{[ 54 ]}  

Debido a que la refrigeración mecánica consume mucha energía, los colectores activos suelen estar restringidos a lugares donde no hay suministro de agua que pueda desalinizarse o purificarse a menor costo y que se encuentran lo suficientemente lejos de una fuente de agua dulce como para que el transporte resulte antieconómico. Estas circunstancias son poco comunes, e incluso en esos casos, grandes instalaciones como la que se intentó en la década de 1930 en Cook, Australia Meridional, fracasaron debido al costo de operación: era más económico transportar agua a grandes distancias. ^{[ 22 ]}

En el caso de instalaciones pequeñas, la comodidad puede ser más importante que el costo. Existe una amplia gama de máquinas pequeñas diseñadas para usarse en oficinas que producen unos pocos litros de agua potable a partir de la atmósfera. Sin embargo, hay circunstancias en las que realmente no hay otra fuente de agua que la atmósfera. Por ejemplo, en la década de 1930, los diseñadores estadounidenses añadieron sistemas de condensación a los dirigibles  ; en este caso, el aire era el emitido por el escape de los motores, por lo que contenía agua adicional como producto de la combustión. La humedad se recolectaba y se usaba como lastre adicional para compensar la pérdida de peso a medida que se consumía el combustible. Al recolectar lastre de esta manera, la flotabilidad del dirigible podía mantenerse relativamente constante sin tener que liberar gas helio, que era caro y de suministro limitado. ^{[ 55 ]}

Más recientemente, en la Estación Espacial Internacional , el módulo Zvezda incluye un sistema de control de humedad. El agua que recoge se utiliza normalmente para alimentar el sistema Elektron , que electroliza el agua para convertirla en hidrógeno y oxígeno , pero puede utilizarse para beber en caso de emergencia. ^{[ 56 ]}

Existen diversos diseños que minimizan los requisitos energéticos de los condensadores activos:

• Un método consiste en utilizar el suelo como disipador de calor mediante la aspiración de aire a través de tuberías subterráneas. ^{[ 57 ]} Esto se suele hacer para proporcionar aire frío a un edificio mediante un intercambiador de calor geotérmico (también conocido como tubos de tierra ), donde la condensación suele considerarse un problema importante. ^{[ 58 ]} Un problema importante de estos diseños es que los tubos subterráneos son propensos a la contaminación y difíciles de mantener limpios. Los diseños de este tipo requieren que un ventilador aspire el aire a través de las tuberías, pero la energía necesaria puede ser suministrada (o complementada) por una turbina eólica . ^{[ 59 ]}

• En el invernadero de agua de mar se utiliza agua de mar fría para enfriar y humidificar el interior de la estructura . El enfriamiento es tan efectivo que no solo las plantas se benefician de una menor transpiración , sino que el rocío se acumula en el exterior de la estructura y se puede recoger fácilmente mediante canaletas. ^{[ 4 ]}
• Otro tipo de colector de agua atmosférica utiliza desecantes que adsorben el agua atmosférica a temperatura ambiente , lo que permite extraer la humedad incluso cuando la humedad relativa es tan baja como el 14 por ciento. ^{[ 60 ]} Los sistemas de este tipo han demostrado ser muy útiles como suministros de emergencia de agua potable segura. ^{[ 61 ] [ 62 ]} Para la regeneración, el desecante necesita ser calentado. ^{[ 63 ]} En algunos diseños, la energía de regeneración es suministrada por el sol; el aire se ventila por la noche sobre un lecho de desecantes que adsorben el vapor de agua. Durante el día, las instalaciones están cerradas, el efecto invernadero aumenta la temperatura y, como en las piscinas de desalinización solar , el vapor de agua se desorbe parcialmente, se condensa en una parte fría y se recoge. ^{[ 4 ]} La nanotecnología también está mejorando este tipo de colectores. Un dispositivo de adsorción de este tipo recolectó 0,25 L de agua por kg de una estructura metalorgánica en un clima excepcionalmente árido con puntos de rocío bajo cero ( Tempe , Arizona, EE. UU.). ^{[ 64 ]}

• Una empresa francesa ha diseñado recientemente una pequeña turbina eólica que utiliza un generador eléctrico  de 30 kW para alimentar un sistema de refrigeración mecánica a bordo para condensar agua. ^{[ 65 ]}

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