Desarrollan una “protección solar” flotante para embalses que deja pasar el 60% de la luz y bloquea más del 80% del calor.
- 💧 Menos agua perdida por evaporación.
- ☀️ Filtrado selectivo de la radiación solar.
- 🔬 Capa de In:SnO₂ de solo 260 nanómetros.
- 👁️ Hasta un 72,4 % de transmisión UV-visible.
- 🔥 Más del 60 % de bloqueo infrarrojo medio.
- 🌡️ Hasta 10,11 °C de diferencia térmica.
- 🌊 Cubierta flotante, flexible e hidrófoba.
- 🇿🇦 Investigación desarrollada en Sudáfrica.
- 🧪 Tecnología todavía en laboratorio.
Una especie de protector solar para el agua
La investigación ha sido realizada por Daniel Kpeglo, Nandipha Botha y Malik Maaza, vinculados a la University of South Africa (UNISA) y a iThemba LABS-National Research Foundation of South Africa.
El principio tecnológico es bastante elegante.
Los investigadores depositaron una película nanométrica de óxido de indio y estaño, In:SnO₂, sobre un soporte flexible de tereftalato de polietileno (PET).
El In:SnO₂ pertenece a una familia de materiales conocida como óxidos conductores transparentes o TCO. Son materiales interesantes porque pueden combinar transparencia óptica con conductividad eléctrica y propiedades específicas frente a diferentes regiones del espectro electromagnético.
En este caso no se busca producir electricidad.
Se aprovecha otra propiedad: dejar pasar una parte importante de la radiación ultravioleta y visible y dificultar el paso de la radiación infrarroja.
Eso permite atacar directamente uno de los motores de la evaporación: el calentamiento solar del agua.
Solo 260 nanómetros de material
Una de las características más llamativas está en el grosor del recubrimiento.
La película de In:SnO₂ utilizada principalmente en los experimentos tenía aproximadamente 260 nanómetros.
Eso equivale a:
0,00026 mm.
El soporte de PET sobre el que se deposita el material tiene un grosor mucho mayor, aproximadamente 0,5 mm, pero continúa siendo una lámina flexible y ligera.
No se trata, por tanto, de construir un techo pesado sobre el embalse.
La propuesta consiste en desarrollar una superficie flotante ultraligera capaz de modificar selectivamente la radiación que llega al agua.
La clave está en separar luz y calor
Una cubierta opaca también puede reducir la evaporación.
De hecho, existen desde hace tiempo soluciones basadas en cubiertas flotantes o suspendidas, barreras contra el viento y otros sistemas físicos.
El problema aparece cuando se cubre completamente una masa de agua y se bloquea prácticamente toda la radiación solar.
La luz desempeña un papel importante en los ecosistemas acuáticos.
La propuesta sudafricana intenta encontrar un término medio: reducir la entrada de energía térmica sin convertir la superficie del agua en una zona permanentemente oscura.
Las mediciones espectroscópicas realizadas por los investigadores muestran que el recubrimiento puede alcanzar una transmisión máxima del 72,4 % en la región UV-visible, mientras presenta un bloqueo medio superior al 60 % de la radiación infrarroja.
Esa selectividad óptica es el corazón de la tecnología.
No toda la energía solar interactúa de la misma manera con el agua. El objetivo consiste en conservar una parte considerable de la iluminación y rechazar una fracción importante de la radiación que contribuye al calentamiento.
El experimento: tres depósitos y un Sol artificial
Para comprobar si esa propiedad óptica podía traducirse realmente en una menor evaporación, los investigadores diseñaron un sistema experimental de laboratorio.
Compararon diferentes configuraciones del depósito de agua, incluyendo agua descubierta, PET sin el recubrimiento selectivo y PET recubierto con In:SnO₂.
Como fuente de radiación utilizaron una lámpara halógena de 500 W, empleada para reproducir un ciclo solar artificial.
También variaron la distancia entre la fuente de radiación y el depósito.
Los ensayos se realizaron a 100, 200 y 300 mm, permitiendo estudiar cómo respondía el sistema ante diferentes intensidades de radiación.
Durante los experimentos se monitorizaron las temperaturas en diferentes posiciones del sistema y la evolución del nivel del agua.
Y ahí apareció la diferencia.
Hasta 10,11 °C de diferencia térmica
Uno de los parámetros analizados fue la diferencia entre la temperatura de la superficie superior de la cubierta y la temperatura inmediatamente situada debajo.
Los investigadores la denominan TUP-Down.
Durante las primeras etapas de la exposición solar artificial, esa diferencia fue de aproximadamente 5,01 °C.
En el momento equivalente a la posición de máxima exposición solar alcanzó aproximadamente 10,11 °C.
El recubrimiento podía calentarse mientras mantenía considerablemente más fría la zona situada inmediatamente debajo.
Ese comportamiento también afectó a la temperatura del agua en el interior del pequeño depósito.
La consecuencia resulta bastante intuitiva: si llega menos energía térmica al agua y esta permanece más fría, disminuye la energía disponible para impulsar la evaporación.
Durante el momento equivalente a la máxima exposición solar, los investigadores registraron una diferencia de aproximadamente 10,11 °C entre la superficie superior de la cubierta y la zona situada inmediatamente debajo.
El nivel del agua prácticamente no cambió bajo la cubierta
Las pruebas comparativas reforzaron esa conclusión.
Cuando el depósito permanecía descubierto, el nivel del agua disminuía progresivamente durante el ciclo experimental.
El estudio registró tasas de evaporación de aproximadamente 0,78 mm/h, 0,56 mm/h y 0,45 mm/h, dependiendo de la distancia entre la lámpara y el agua.
Al aumentar la distancia y disminuir la intensidad recibida, también disminuía la evaporación.
El comportamiento bajo la cubierta recubierta con In:SnO₂ fue muy diferente.
Durante el ciclo experimental analizado, los investigadores observaron una evaporación extremadamente reducida, hasta resultar prácticamente indetectable en determinadas condiciones del ensayo.
Es uno de los resultados más llamativos del estudio.
También es el que requiere mayor prudencia.
No significa que una futura cubierta vaya a eliminar la evaporación de un embalse.
Significa que en el sistema experimental utilizado en laboratorio, durante el ciclo estudiado y bajo una fuente artificial de radiación, el recubrimiento redujo drásticamente la pérdida de agua.
Pasar de ahí a miles o millones de metros cuadrados de agua expuestos durante años al clima real es otra historia.
El recubrimiento de In:SnO₂ tiene aproximadamente 260 nanómetros de espesor. En los ensayos alcanzó hasta un 72,4 % de transmisión UV-visible y un bloqueo medio de la radiación infrarroja superior al 60 %.
El material además repele el agua
Hay otra propiedad que puede resultar útil para construir una futura cubierta flotante.
El recubrimiento presenta un comportamiento hidrófobo.
Las mediciones del ángulo de contacto mostraron valores de aproximadamente 109,7° para la superficie recubierta, frente a unos 82,2° en la superficie de referencia.
Cuanto mayor es ese ángulo, menor es la tendencia del agua a extenderse y adherirse sobre la superficie.
Esto facilita que el material funcione como una superficie repelente al agua.
También puede tener implicaciones en el mantenimiento.
Los investigadores estudiaron el comportamiento del material frente al biofouling, la acumulación de algas, microorganismos y materia biológica sobre una superficie.
Los resultados iniciales apuntan a un comportamiento favorable.
A escala real, sin embargo, habría que comprobar qué ocurre después de meses de exposición a microorganismos, polvo, sedimentos, excrementos de aves y materia orgánica. Un ensayo corto de laboratorio difícilmente puede reproducir ese escenario.
La cubierta no pretende simplemente hacer sombra. Su principal innovación está en la selectividad óptica: permite atravesar buena parte de la luz visible mientras bloquea una proporción considerable de la radiación infrarroja que contribuye al calentamiento del agua.
No se pretende dispersar nanopartículas en el embalse
La palabra «nanomaterial» puede generar una duda razonable: ¿terminaría el material dispersándose en el agua?
El diseño no propone liberar partículas de In:SnO₂ directamente sobre la superficie.
El material forma una película fijada al soporte plástico.
Eso reduce considerablemente el contacto directo entre el nanomaterial y el agua.
Aun así, cualquier futura aplicación sobre depósitos de agua potable o ecosistemas naturales necesitaría estudios específicos sobre lixiviación, abrasión, degradación y ecotoxicidad.
Una lámina instalada durante años soportaría radiación solar, oscilaciones térmicas, viento, lluvia, polvo y movimiento mecánico.
La pregunta relevante no es únicamente cómo se comporta el material nuevo. También importa saber qué ocurre cuando envejece.
El PET puede convertirse en uno de los principales problemas
Precisamente ahí aparece una de las limitaciones más importantes.
El soporte utilizado en el experimento es PET.
Es barato, ligero y flexible, pero los propios investigadores reconocen que una aplicación real necesitaría estudiar materiales con mayor resistencia a la radiación ultravioleta.
Una exposición prolongada puede deteriorar determinados polímeros. Pierden propiedades mecánicas, se vuelven quebradizos y eventualmente pueden fragmentarse.
En un sistema destinado a conservar agua, generar fragmentos plásticos o microplásticos sería un efecto secundario difícil de justificar.
Entre las alternativas que los investigadores consideran para futuros ensayos aparece el policarbonato resistente a radiación ultravioleta.
La elección definitiva del soporte probablemente será tan importante como el propio nanorrecubrimiento.
Del tamaño de una hoja a cubrir una balsa agrícola
Hay además un problema evidente de escala.
En laboratorio se trabaja con pequeñas superficies perfectamente controladas.
Un embalse real puede ocupar hectáreas o incluso kilómetros cuadrados.
La futura tecnología necesitaría probablemente adoptar una arquitectura modular.
No sería razonable imaginar una gigantesca sábana de plástico flotando libremente sobre un embalse.
Habría que desarrollar módulos flotantes, sistemas de unión y anclajes capaces de adaptarse a variaciones del nivel del agua y soportar viento, lluvia y oleaje.
Los propios investigadores señalan que una aplicación real requeriría integrar las láminas en algún tipo de estructura flotante que evitase su desplazamiento.
Y probablemente los primeros ensayos deberían realizarse en instalaciones mucho más pequeñas.
Balsas agrícolas, depósitos industriales y pequeños reservorios artificiales parecen candidatos bastante más razonables para una primera demostración que un gran embalse.
Los resultados no significan que la tecnología pueda eliminar la evaporación de un embalse real. Todavía deben comprobarse su durabilidad, coste, resistencia al viento y efectos ambientales mediante ensayos prolongados al aire libre.
La comparación con la fotovoltaica flotante es inevitable
Los embalses ya están siendo utilizados para otra tecnología relacionada con la radiación solar: la fotovoltaica flotante.
Los paneles proporcionan sombra, pueden disminuir parcialmente la evaporación y, además, producen electricidad.
Entonces, ¿qué sentido tendría utilizar una cubierta que no genera energía?
Son soluciones diferentes.
Un panel fotovoltaico es relativamente pesado, necesita flotadores, cableado, inversores, conexiones eléctricas y mantenimiento especializado.
La película de In:SnO₂ pretende ser mucho más ligera y ópticamente transparente.
Podría utilizarse allí donde el objetivo prioritario sea conservar agua y donde instalar paneles solares no resulte técnica o económicamente apropiado.
Incluso podrían aparecer diseños híbridos.
Una parte del embalse dedicada a generación fotovoltaica y otras superficies cubiertas con materiales selectivos para reducir la evaporación.
No tiene por qué elegirse una única tecnología.
El indio introduce otra limitación que conviene vigilar
El In:SnO₂, conocido habitualmente como ITO, no es un material experimental desconocido.
Se utiliza desde hace años en pantallas, dispositivos optoelectrónicos, sensores y tecnologías fotovoltaicas.
Precisamente por eso existe una cadena industrial para producirlo.
Pero cubrir grandes superficies de agua cambia radicalmente la escala de consumo.
El indio es un elemento relativamente escaso y se obtiene principalmente como subproducto de la minería y refinado de otros metales.
Una tecnología destinada a cubrir millones de metros cuadrados debería analizar cuidadosamente cuánto indio necesitaría, cuánto material podría recuperarse al finalizar la vida útil y si el conjunto podría reciclarse económicamente.
Existe, no obstante, una posibilidad interesante.
Los autores consideran que el principio físico podría extenderse a otros óxidos conductores transparentes, no únicamente al In:SnO₂.
Eso abre una línea de investigación hacia recubrimientos más baratos, abundantes o resistentes.
Antes de hablar de embalses, toca probarla al aire libre
El siguiente paso que plantean los investigadores es bastante claro: salir del laboratorio.
Los ensayos de campo tendrán que responder preguntas que una lámpara halógena no puede resolver.
¿Qué ocurre durante una tormenta?
¿Y después de seis meses de Sol?
¿Cómo responde el recubrimiento al polvo?
¿Mantiene sus propiedades ópticas?
¿Cuánto cuesta limpiarlo?
¿Puede repararse un módulo dañado?
¿Se degrada el polímero?
¿Cuánto cuesta conservar cada metro cúbico de agua?
El desafío ahora es convertir una película que funciona bajo condiciones controladas en módulos flotantes capaces de permanecer años sobre el agua sin degradarse, desplazarse con el viento ni generar contaminación.
Son preguntas menos llamativas que conseguir una diferencia térmica de 10 °C en laboratorio, pero determinarán si la tecnología tiene futuro.
Más información: Nano-scaled In:SnO2 TCOs as a novel technology for minimizing water evaporation
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