Grafeno: Una posible solución para la futura disponibilidad de agua de riego

El grafeno es un material en base a carbono que está revolucionando el mundo gracias a sus excelentes características que mejoran la conducción eléctrica y la producción de energía. Podría reducir drásticamente los procesos de desalación del agua y hacerlos aptos para la aplicación agrícola.

Por Jorge Velasco Cruz

 

El agua fresca es un bien escaso a nivel mundial. Ésta representa apenas el 2,5% del agua que hay en la tierra y de ella, apenas el 1,2% es superficial (ríos, lagunas, hielos); el resto está acumulada principalmente en glaciares de difícil acceso y en acuíferos. En este contexto, Chile presenta un escenario hídrico preocupante, con acuíferos sobreexplotados, precipitaciones cada vez más escasas y embalses con niveles históricos mínimos.  

A ello se suma la presión de los diversos sectores productivos por utilizar los recursos hídricos. En las aguas superficiales, el sector silvoagropecuario usa el 73%, el minero emplea el 12%, el minero utiliza el 9% y el consumo de agua potable se lleva el 6%. Su demanda, además, irá en aumento. Si el año 2000 el mundo consumía 3.500 km3 de agua, para el 2050 se calcula que éste aumentará a unos 5.500 km3, y todo esto sucederá en un escenario estructural de cambio climático que conlleva menos lluvias y temperaturas más altas. 

Así las cosas, hace varios años en el mundo se comenzó a mirar al mar –donde está el 96,5% del agua mundial- para abastecerse. Hay más de 16.000 plantas desaladoras en todo el orbe, que tratan unos 67 millones de metros cúbicos al día en 150 países. Su crecimiento ha sido muy acelerado, puesto que en una fecha tan reciente como el año 2002, se trataban sólo 15 millones de m3, a través de sistemas de osmosis directa e inversa. En Chile se ha utilizado la desalación principalmente en las regiones del norte del país –especialmente en Antofagasta-, con al menos una decena de plantas para uso doméstico e industrial. La utilidad para la agricultura, sin embargo, todavía es incierta debido al elevado valor que el agua desalada presenta en la actualidad. 

EL GRAFENO: UN MILAGRO RECIENTE

Para la década de 1960, el costo de desalar un metro cúbico de agua llegaba a US$16. Éste se redujo a US$1 por metro cúbico el año 2000 y a US$ 0,35/m3 el 2010. Las perspectivas apuntan a que al año 2016 éste se podría reducir a… US$ 0,01 /m3. La razón: el desarrollo de un nuevo material, el grafeno. 

“El grafeno -comenta el ingeniero agrónomo, doctor y académico de la PUC, Luis Gurovich.- es un material 200 veces más duro que el acero, pero es flexible. Es 90% más delgado que una hoja de papel de carta. Es 60 veces más electroconductivo que el cobre. Un gramo se puede distribuir en 2.600 metros cuadrados de superficie. Permite aumentar la eficiencia fotovoltaica entre 50 y 100 veces… Este avance nos permite pensar en una gran revolución que se nos viene”. En resumen, entre sus propiedades más sobresalientes destaca que es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, abundante, económico y conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido. 

Su descubrimiento llevó a que en 2010, los científicos de origen ruso Andre Geim y Konstantin Novoselov, fueran galardonados con el Premio Nobel de Física. Ambos obtuvieron el grafeno a partir del grafito normal y lograron una lámina de un grosor de solo un átomo. Sus aplicaciones son múltiples y van desde elementos electrónicos con pantallas flexibles y transparentes, baterías ultrarrápidas, potentes paneles solares… y nuevos sistemas de desalación de agua. 

UN NUEVO ORDENAMIENTO TERRITORIAL

En 2012, dos investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) - el profesor Jeffrey Grossman y el alumno David Cohen-Tanugi,- lograron una película de óxido de grafeno con poros de 1,8 nm y demostraron en simuladores que éstos pueden filtrar la sal del agua a una velocidad 2 a 3 veces mayor que la mejor tecnología de desalinización comercial que existe en la actualidad. 

Y es que, en cambio, en el proceso de osmosis inversa (OI), se utiliza una membrana gruesa, de un espesor mil veces superior al de la lámina de grafeno. La OI filtra el agua de mar, sometiéndola a una gran presión, muy elevada, para que sólo el agua potable atraviese la membrana, separándola de la salmuera resultante. Este sistema requiere de presiones extremadamente altas –y por tanto es altamente demandante de energía– para obligar al agua a pasar a través de las membranas, que son unas mil veces más gruesas que el grafeno, que funciona a una presión mucho menor y, en consecuencia, podría purificar el agua a un costo mucho más bajo, según señalan los investigadores. 

“Este trabajo muestra que algunos de los inconvenientes de las técnicas de desalinización actuales podrían evitarse mediante la invención de materiales de membrana más eficientes y específicos. En particular, la nanoestructuración de las membranas podría permitir, para el caudal de agua real por medio de la exclusión por tamaño, una mucho mayor permeabilidad en comparación con la osmosis inversa”, sostiene Jeffrey Grossman.  

Se estima que gracias a su uso el costo de la desalación llegaría a US$ 0,01 /m3. De esta manera, basándose en el consumo hídrico de 7.500 m3/ha al año, el costo por hectárea con agua desalada podría bajar desde US$2.625 anuales en 2014 a sólo US$75 en el futuro próximo.  

“Esto sería un costo marginal respecto al costo de producción. Por lo tanto, nos llevaría a un nuevo ordenamiento territorial. Habría mejoras como la producción agrícola con temperatura controlada o conducción de agua por el desierto… Esto tendría implicancias socioeconómicas tremendas: full alimentación a nivel global, salud y desarrollo sustentables, redistribución de la población, y control del CO2 y del O2 a través de la fotosíntesis”, sostiene Luis Gurovich.

El desafío, sin embargo, radica en fabricar estas membranas a gran escala. La meta podría alcanzarse el año 2016. De ser así, cuánto tiempo demore en llegar a Chile y, específicamente, en ser aplicada esta tecnología en la agricultura está por verse. Pero al menos abre una ventana para aumentar la disponibilidad de agua para riego en el mediano plazo.