Hace casi tres años que Gang Chen, el profesor de ingeniería eléctrica de la Cátedra Carl Richard Soderberg y director del departamento de Ingeniería Mecánica en el ITM, recibió la financiación de J-WAFS Solutions para su proyecto ‘Receptores solares flotantes y de localización térmica para la desalinización distribuida’. Opening Doors se reunió con él en Boston para ver cómo ha progresado el proyecto y aprender más sobre el impacto potencial de su revolucionaria investigación.

 P: Entre septiembre de 2016 y agosto de 2017, estaba investigando la posibilidad de producir agua potable a partir de agua de mar con costes de instalación bajos. ¿Cómo ha evolucionado esa investigación y en qué está trabajando ahora?

Gang: Estamos tratando de crear un método de uso de la energía solar para generar vapor sobrecalentado, es decir, vapor calentado a más de 120 grados Celsius, en lugar del punto de ebullición atmosférico normal de 100 grados. A más de 120 grados, el vapor se puede utilizar en aplicaciones de esterilización. Tenemos interés en una amplia gama de temas: la desalinización, el tratamiento de aguas residuales, los procesos industriales, la cocción y la esterilización. Muchos procesos industriales y alimentarios también necesitan temperaturas más altas. No todos estos procesos requieren vapor sobrecalentado, pero es particularmente útil para aplicaciones como la esterilización.

P: ¿Puede describir la solución que ha encontrado?

Gang: Para crear vapor sobrecalentado a partir de la luz solar, normalmente la gente suele pensar en soluciones ópticas, como lentes o espejos, para concentrar la luz solar; pero, estas técnicas pueden ser costosas y complejas.

En cambio, estamos desarrollando un enfoque significativamente más económico centrado en un ‘amortiguador’, que es básicamente una pieza de metal recubierta con una película. La técnica ya está comercializada, ya que suele utilizarse en sistemas de agua caliente alimentados por energía solar.

Para empezar, el dispositivo se coloca sobre un recipiente con agua y dentro de un recinto de polímero. Esto reduce la pérdida de calor al mínimo.

El otro asunto que hemos tenido que abordar es la degradación de los contaminantes que se encuentran en el agua o la biocorrosión. Nuestra investigación original utilizó dispositivos que flotaban en la superficie del agua, que podrían padecer biocorrosión, pero ahora nuestro dispositivo está suspendido justo por encima de la superficie del agua, evitando este problema. El dispositivo tiene aproximadamente el tamaño de una tableta y tiene tres capas: en la parte superior, la superficie compuesta de cerámica metálica absorbe el calor del sol; debajo de eso, un material similar a la espuma atrapa y calienta aún más el vapor creado antes de que se canalice a través de un tubo de salida. Y, debajo, en la capa inferior del dispositivo, está el elemento más cercano al agua. Esta es la parte del dispositivo que emite calor infrarrojo al agua que tiene debajo a través de un revestimiento negro en la superficie. El vapor se genera a partir de la superficie del agua y entra en los materiales similares a la espuma.

P: En términos sencillos, ¿cómo funciona?

Gang: La capa superior del dispositivo absorbe la luz del sol radiante. Debido al recubrimiento, a medida que se calienta, la pérdida de calor del sistema es relativamente pequeña. Puede llegar a calentarse a más de 100 ºC. Debido a que está en contacto con la espuma, la estructura de la espuma también se calienta a más de 100 ºC.

MIT, research

La espuma está en contacto con el otro lado del canal, que está recubierto de negro e irradia calor infrarrojo al agua. Mientras que el agua normalmente no absorbe las longitudes de onda visibles en la luz solar, es un fuerte absorbente de las longitudes de onda infrarrojas irradiadas por este objeto caliente. Como resultado, la superficie del agua se calienta, lo que ayuda a generar vaho y, finalmente, vapor que se eleva hacia el dispositivo.

En este punto, el vapor generado todavía está a unos 100 grados Celsius. Pero, cuando se eleva hacia el absorbedor de calor en sí, que ya está a más de 100 grados, se calienta aún más, creando el vapor sobrecalentado que estamos buscando en la capa media del dispositivo.

El canal entre las capas superior e inferior nos permite dirigir el vapor generado a través de un tubo hacia donde lo necesitemos. La belleza de este sistema radica en que es completamente pasivo: una vez que se construye el dispositivo, no requiere más información para comenzar y continuar absorbiendo la luz solar. Por lo tanto, bajo mantenimiento y bajo coste.

P: ¿Dónde podría aplicarse esta solución? Si puede sacarlo al mercado, ¿cuál es su impacto potencial?

Gang: Buena pregunta. Cuando comenzamos esta investigación, pensamos en posibles aplicaciones en la desalinización, el tratamiento de aguas residuales, el vapor industrial o la esterilización. Todas ellas aún son posibles. En este momento, estamos estudiando dónde está el mercado de entrada más apropiado para esta tecnología. También podría utilizarse para suministrar agua caliente a los hogares, pero cada una de estas aplicaciones potenciales debe evaluarse en términos de su propia viabilidad financiera.

P: Su dispositivo actual es del tamaño de una tableta. ¿Hay alguna posibilidad de aumentar el tamaño y desarrollar algo a una escala mucho mayor?

Gang: Estamos en proceso de tratar de hacer un sistema a mayor escala. La tecnología es lo suficientemente simple, y realmente no creemos que haya ningún obstáculo que lo impida. Nuestro problema es que trabajamos en una universidad, por lo que simplemente no tenemos el espacio para ese tipo de proyecto grande a gran escala. Con suerte, una vez que identifiquemos un punto de entrada en el mercado económicamente viable, esto supondrá o bien una asociación, o una escisión, para trabajar en un entorno comercial y lograr esa operación a gran escala.

P: Lleva varios años trabajando en la generación de vapor a partir de la energía solar. ¿Cómo describiría los avances que ha hecho?

Gang: Han sido una serie de pequeños proyectos, cada uno de los cuales nos ha llevado a donde estamos hoy. El primer trabajo que hicimos fue un material flotante y poroso en la superficie del agua, porque la luz solar visible no es absorbida por el agua en sí. Al flotar este material poroso en la superficie y luego aislar esta área cubierta de la mayor parte del agua de una forma en que el agua sea ‘succionada’ por la tensión superficial, podríamos crear una región localmente caliente en la superficie. Más tarde, pudimos producir un diseño para que pudiéramos llevar el agua a su punto de ebullición sin utilizar ningún tipo de óptica, simplemente usando la luz solar normal.

De hecho, mi hija, que tenía entonces solo 16 años, desempeñó un papel importante al ayudarnos a dar esos primeros pasos. Encontramos que nuestro dispositivo estaba perdiendo mucho calor a través de la convección. En ese momento, mi hija estaba trabajando en un proyecto para la feria de ciencias del colegio. Tuvo que hacer un invernadero con materiales simples, uno de los cuales era plástico de burbujas. Descubrimos que era muy efectivo (¡fue capaz de calentarla a 160 grados Fahrenheit!) envolver el plástico de burbujas alrededor de nuestro dispositivo, con las burbujas transparentes que permiten que la luz del sol penetre en el dispositivo y proporcione un efecto de captura que mantiene el calor en la superficie del dispositivo.

Aunque, en última instancia, nos encontramos con algunas dificultades con la idea. En el material poroso, encontramos formación de células, bioformación y formación de partículas. Fue entonces cuando llegó la financiación de J-WAFS Solutions. Nos permitió ver realmente cómo podríamos explorar la aplicación de la tecnología para resolver estos obstáculos. Ahí fue cuando evolucionaron nuestras ideas actuales.

P: ¿Este proyecto está relacionado con el trabajo de desalinización que ha realizado anteriormente, al mirar esteras de desalinización flotantes?

Gang: Sí, esta solución también podría utilizarse para la desalinización. Cuando sobrecalientas el agua para convertirla en vapor, el agua que se condensa a partir de ese vapor es esencialmente pura, no tiene las sales y la biomasa que estaban allí antes de que se calentara. De hecho, el rendimiento del sistema de esta última solución es, en términos de eficiencia, muy similar al que teníamos antes. Y la ventaja de esta última solución es que evita los problemas de bioformación que encontramos en el pasado.

P: ¿Hay alguna posibilidad de desarrollar un uso dual para esta solución, usando el vapor para suministrar energía a algo, tal vez a una turbina, y el agua condensada resultante que esté disponible para las poblaciones locales en entornos con recursos limitados?

Gang: Sí, excelente apreciación. En nuestro estudio de mercado estamos investigando dónde podríamos hacer esto y matar dos pájaros de un tiro. Tenemos que pensar en muchas cosas. Por ejemplo, podríamos utilizarlo para generar electricidad, pero debemos considerar el coste de la turbina. Estas son todas las cosas a las que tenemos que dedicar un tiempo de evaluación desde una perspectiva de oportunidad de mercado y coste económico.

La espuma está en contacto con el otro lado del canal, que está recubierto de negro e irradia calor infrarrojo al agua. Mientras que el agua normalmente no absorbe las longitudes de onda visibles en la luz solar, es un fuerte absorbente de las longitudes de onda infrarrojas irradiadas por este objeto caliente. Como resultado, la superficie del agua se calienta, lo que ayuda a generar vaho y, finalmente, vapor que se eleva hacia el dispositivo.

En este punto, el vapor generado todavía está a unos 100 grados Celsius. Pero, cuando se eleva hacia el absorbedor de calor en sí, que ya está a más de 100 grados, se calienta aún más, creando el vapor sobrecalentado que estamos buscando en la capa media del dispositivo.

El canal entre las capas superior e inferior nos permite dirigir el vapor generado a través de un tubo hacia donde lo necesitemos. La belleza de este sistema radica en que es completamente pasivo: una vez que se construye el dispositivo, no requiere más información para comenzar y continuar absorbiendo la luz solar. Por lo tanto, bajo mantenimiento y bajo coste.

P: ¿Dónde podría aplicarse esta solución? Si puede sacarlo al mercado, ¿cuál es su impacto potencial?

Gang: Buena pregunta. Cuando comenzamos esta investigación, pensamos en posibles aplicaciones en la desalinización, el tratamiento de aguas residuales, el vapor industrial o la esterilización. Todas ellas aún son posibles. En este momento, estamos estudiando dónde está el mercado de entrada más apropiado para esta tecnología. También podría utilizarse para suministrar agua caliente a los hogares, pero cada una de estas aplicaciones potenciales debe evaluarse en términos de su propia viabilidad financiera.

P: Su dispositivo actual es del tamaño de una tableta. ¿Hay alguna posibilidad de aumentar el tamaño y desarrollar algo a una escala mucho mayor?

Gang: Estamos en proceso de tratar de hacer un sistema a mayor escala. La tecnología es lo suficientemente simple, y realmente no creemos que haya ningún obstáculo que lo impida. Nuestro problema es que trabajamos en una universidad, por lo que simplemente no tenemos el espacio para ese tipo de proyecto grande a gran escala. Con suerte, una vez que identifiquemos un punto de entrada en el mercado económicamente viable, esto supondrá o bien una asociación, o una escisión, para trabajar en un entorno comercial y lograr esa operación a gran escala.

P: Lleva varios años trabajando en la generación de vapor a partir de la energía solar. ¿Cómo describiría los avances que ha hecho?

Gang: Han sido una serie de pequeños proyectos, cada uno de los cuales nos ha llevado a donde estamos hoy. El primer trabajo que hicimos fue un material flotante y poroso en la superficie del agua, porque la luz solar visible no es absorbida por el agua en sí. Al flotar este material poroso en la superficie y luego aislar esta área cubierta de la mayor parte del agua de una forma en que el agua sea ‘succionada’ por la tensión superficial, podríamos crear una región localmente caliente en la superficie. Más tarde, pudimos producir un diseño para que pudiéramos llevar el agua a su punto de ebullición sin utilizar ningún tipo de óptica, simplemente usando la luz solar normal.

De hecho, mi hija, que tenía entonces solo 16 años, desempeñó un papel importante al ayudarnos a dar esos primeros pasos. Encontramos que nuestro dispositivo estaba perdiendo mucho calor a través de la convección. En ese momento, mi hija estaba trabajando en un proyecto para la feria de ciencias del colegio. Tuvo que hacer un invernadero con materiales simples, uno de los cuales era plástico de burbujas. Descubrimos que era muy efectivo (¡fue capaz de calentarla a 160 grados Fahrenheit!) envolver el plástico de burbujas alrededor de nuestro dispositivo, con las burbujas transparentes que permiten que la luz del sol penetre en el dispositivo y proporcione un efecto de captura que mantiene el calor en la superficie del dispositivo.

Aunque, en última instancia, nos encontramos con algunas dificultades con la idea. En el material poroso, encontramos formación de células, bioformación y formación de partículas. Fue entonces cuando llegó la financiación de J-WAFS Solutions. Nos permitió ver realmente cómo podríamos explorar la aplicación de la tecnología para resolver estos obstáculos. Ahí fue cuando evolucionaron nuestras ideas actuales.

P: ¿Este proyecto está relacionado con el trabajo de desalinización que ha realizado anteriormente, al mirar esteras de desalinización flotantes?

Gang: Sí, esta solución también podría utilizarse para la desalinización. Cuando sobrecalientas el agua para convertirla en vapor, el agua que se condensa a partir de ese vapor es esencialmente pura, no tiene las sales y la biomasa que estaban allí antes de que se calentara. De hecho, el rendimiento del sistema de esta última solución es, en términos de eficiencia, muy similar al que teníamos antes. Y la ventaja de esta última solución es que evita los problemas de bioformación que encontramos en el pasado.

P: ¿Hay alguna posibilidad de desarrollar un uso dual para esta solución, usando el vapor para suministrar energía a algo, tal vez a una turbina, y el agua condensada resultante que esté disponible para las poblaciones locales en entornos con recursos limitados?

Gang: Sí, excelente apreciación. En nuestro estudio de mercado estamos investigando dónde podríamos hacer esto y matar dos pájaros de un tiro. Tenemos que pensar en muchas cosas. Por ejemplo, podríamos utilizarlo para generar electricidad, pero debemos considerar el coste de la turbina. Estas son todas las cosas a las que tenemos que dedicar un tiempo de evaluación desde una perspectiva de oportunidad de mercado y coste económico.

P: ¿Podría ubicar conjuntamente las plantas de desalinización y esta tecnología de alguna manera para generar la energía para alimentar la planta?

Gang: La ósmosis inversa requiere mucha energía para crear la presión necesaria, y aún no sé si podemos lograrlo. Ciertamente existe la posibilidad de utilizar esta tecnología en la desalinización, pero debemos comprender mejor cuál es el tamaño y la ubicación correctos de este enfoque con nuestra solución, y luego comparar esos costes con la ósmosis inversa o la destilación en corriente de vapor de etapas múltiples, las dos principales tecnologías de desalinización actualmente en uso.

P: ¿Cómo de importante fue el financiamiento de J-WAFS para permitirle avanzar en su trabajo?

Gang: Fue extremadamente importante y muy apreciado. Es difícil obtener financiamiento real del Gobierno para este tipo de trabajo, y el financiamiento de J-WAFS nos permitió mantener el proyecto en marcha y seguir teniendo estudiantes trabajando en él. Sin eso, nuestra última idea nunca se habría materializado. J-WAFS también fue de gran ayuda a la hora de hacernos pensar más comercialmente sobre nuestros mercados potenciales. Fue muy, muy beneficioso; tanto que reconocimos la contribución continua de J-WAFS en nuestro último artículo, a pesar de que el trabajo se realizó después de que finalizara la financiación de J-WAFS.

P: ¿Podría ubicar conjuntamente las plantas de desalinización y esta tecnología de alguna manera para generar la energía para alimentar la planta?

Gang: La ósmosis inversa requiere mucha energía para crear la presión necesaria, y aún no sé si podemos lograrlo. Ciertamente existe la posibilidad de utilizar esta tecnología en la desalinización, pero debemos comprender mejor cuál es el tamaño y la ubicación correctos de este enfoque con nuestra solución, y luego comparar esos costes con la ósmosis inversa o la destilación en corriente de vapor de etapas múltiples, las dos principales tecnologías de desalinización actualmente en uso.

P: ¿Cómo de importante fue el financiamiento de J-WAFS para permitirle avanzar en su trabajo?

Gang: Fue extremadamente importante y muy apreciado. Es difícil obtener financiamiento real del Gobierno para este tipo de trabajo, y el financiamiento de J-WAFS nos permitió mantener el proyecto en marcha y seguir teniendo estudiantes trabajando en él. Sin eso, nuestra última idea nunca se habría materializado. J-WAFS también fue de gran ayuda a la hora de hacernos pensar más comercialmente sobre nuestros mercados potenciales. Fue muy, muy beneficioso; tanto que reconocimos la contribución continua de J-WAFS en nuestro último artículo, a pesar de que el trabajo se realizó después de que finalizara la financiación de J-WAFS.

P: ¿Cuáles son sus prioridades para el próximo año? ¿Cómo espera avanzar?

Gang: Tenemos estudiantes interesados en evaluar seriamente las oportunidades de mercado. Identificar el mejor mercado para la tecnología es ahora una prioridad importante. Estamos buscando un mercado de entrada para que podamos traducir esta tecnología en una solución real para el mundo.

Nuestra otra ambición es más técnica y se centra más en cómo podemos mejorar la eficiencia del sistema para diferentes aplicaciones.

También estamos buscando asegurar una demostración más grande de la tecnología para mostrarla a posibles socios comerciales e inversores.

P: ¿A cuánto está de poder llevar su producto al mercado?

Gang: Juzgar las escalas de tiempo siempre es muy difícil en la investigación. Lo más importante para nosotros es asegurarnos de que estemos cómodos abordando el mercado correcto. Durante los próximos doce meses, espero que hagamos un buen progreso en este aspecto.