Oro líquido: un prototipo extrae valiosos recursos de la orina
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Un sistema recién desarrollado transforma los desechos humanos en una poderosa herramienta para la energía y la agricultura rentables y sostenibles en regiones con recursos limitados. El prototipo, esbozado en un estudio dirigido por Stanford, recupera un valioso fertilizante de la orina, utilizando energía solar que también puede proporcionar energía para otros usos. En el proceso, el sistema proporciona un saneamiento esencial, haciendo que las aguas residuales sean más seguras para su vertido o reutilización para el riego.
"Este proyecto trata de convertir un problema de residuos en una oportunidad de recursos", afirma el autor principal del estudio, William Tarpeh, profesor adjunto de Ingeniería Química en la Escuela de Ingeniería de Stanford. "Con este sistema, capturamos nutrientes que de otro modo se desecharían o causarían daños ambientales y los convertimos en algo valioso -fertilizante para los cultivos- y lo hacemos sin necesidad de acceder a una red eléctrica".
El nitrógeno es un componente clave de los fertilizantes comerciales. Tradicionalmente, se produce mediante un proceso intensivo en carbono y se distribuye por todo el mundo desde grandes instalaciones industriales, muchas de las cuales están situadas en los países más ricos, lo que encarece los precios en los países de renta baja y media. En todo el mundo, el nitrógeno de la orina humana equivale aproximadamente al 14% de la demanda anual de fertilizantes.
El prototipo separa el amoníaco -un compuesto químico formado por nitrógeno e hidrógeno- de la orina a través de una serie de cámaras separadas por membranas, utilizando electricidad generada por energía solar para impulsar los iones y finalmente atrapar el amoníaco en forma de sulfato de amonio, un fertilizante común. Calentar el sistema -utilizando el calor residual recogido de la parte posterior de los paneles solares fotovoltaicos a través de una placa fría de tubo de cobre acoplado- ayuda a acelerar el proceso al fomentar la producción de gas amoníaco, el paso final del proceso de separación. Los paneles solares también producen más electricidad a temperaturas más bajas, por lo que recoger el calor residual ayuda a mantenerlos fríos y eficientes.
"Cada persona produce suficiente nitrógeno en su orina para fertilizar un jardín, pero gran parte del mundo depende en cambio de costosos fertilizantes importados", explica Orisa Coombs, autora principal del estudio y estudiante de doctorado en ingeniería mecánica. "No hace falta una planta química gigante ni siquiera un enchufe. Con suficiente luz solar, se puede producir fertilizante justo donde se necesita, y potencialmente incluso almacenar o vender el exceso de electricidad".
El estudio demuestra que la integración del calor generado por el panel solar para calentar el líquido utilizado en el proceso electroquímico y la gestión de la corriente suministrada al sistema electroquímico aumentaron la generación de energía en casi un 60% y mejoraron la eficiencia de recuperación del amoníaco en más de un 20%, en comparación con prototipos anteriores, que no integraban estas funciones. El uso de este calor residual es especialmente prometedor porque hay mucho: se pierde alrededor del 80% de la energía solar que llega a los paneles solares, lo que de otro modo podría provocar el sobrecalentamiento del sistema y ralentizaciones de la eficiencia.
Los investigadores también desarrollaron un modelo detallado para predecir cómo los cambios en la luz solar, la temperatura y la configuración eléctrica afectan al rendimiento y la economía del sistema. El modelo demostró que en regiones como Uganda, donde los fertilizantes son caros y la infraestructura energética es limitada, el sistema podría generar hasta 4,13 dólares por kilogramo de nitrógeno recuperado, más del doble de las ganancias potenciales en Estados Unidos.
Los investigadores creen que este método podría ampliarse para ayudar a agricultores y comunidades de todo el mundo. Las lecciones aprendidas sobre la integración del calor residual de los paneles solares también podrían aplicarse a instalaciones industriales, como plantas de tratamiento de aguas residuales, capaces de capturar el calor producido durante la generación de electricidad para alimentar toda una serie de aplicaciones.
Coombs está trabajando en un prototipo que tendrá el triple de capacidad de reactor, será capaz de procesar mucha más orina y procesará más rápido cuando haya más luz solar disponible.
Más allá de la posibilidad de obtener un producto valioso y generar energía, el método promete un saneamiento eficaz. Según la ONU, más del 80% de las aguas residuales no se tratan, la mayor parte en países de renta baja y media. El nitrógeno de las aguas residuales puede contaminar las aguas subterráneas y las fuentes de agua potable, y provocar la proliferación de algas que agotan el oxígeno y matan las plantas y los animales acuáticos. Al eliminar el nitrógeno de la orina, el sistema prototipo hace que el líquido restante sea más seguro para verter o reutilizar para el riego. La capacidad de hacer esto con un sistema autoalimentado podría cambiar las reglas del juego en muchos países donde sólo un pequeño porcentaje de la población está conectado a sistemas de alcantarillado centralizados.
"A menudo pensamos en el agua, los alimentos y la energía como sistemas completamente separados, pero éste es uno de esos raros casos en los que la innovación en ingeniería puede ayudar a resolver múltiples problemas a la vez", afirma Coombs. "Es limpio, escalable y está literalmente alimentado por el sol".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
"Prototyping and Modeling a Photovoltaic/Thermal Electrochemical Stripping System for Distributed Urine Nitrogen Recovery"; Nature Water 2025.
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