Para un pez que vive en el mar, estar rodeado de agua no significa tener resuelto el problema del agua. Su organismo debe convivir permanentemente con una concentración de sales muy superior a la de sus propios fluidos sin permitir que ese entorno altere el delicado equilibrio químico que necesita para sobrevivir.
Las branquias cumplen buena parte de esa tarea. No son simplemente una superficie por la que circula el agua durante la respiración. También intervienen en un sofisticado sistema que regula el movimiento de agua e iones y ayuda a mantener bajo control el exceso de sales.
Millones de años de evolución resolvieron así un problema que, a otra escala y con otro propósito, también condiciona una tecnología que investigadores de distintos países buscan perfeccionar para obtener agua dulce utilizando directamente la radiación solar.
Obtener agua del mar
Más de dos mil millones de personas en la Tierra viven bajo estrés hídrico. Los océanos cubren el 70 % de la superficie terrestre, pero su contenido salino, alrededor de 35 gramos por litro, hace que sea una fuente de agua inaccesible para el consumo, la agricultura y la industria sin tecnologías capaces de retirar esas sales.
Si bien existen grandes plantas que producen agua dulce a partir del mar por ósmosis inversa, necesitan cantidades considerables de electricidad, infraestructura pesada y acceso a redes de distribución. En regiones costeras remotas, en islas pequeñas o en comunidades sin conexión eléctrica estable, esas condiciones simplemente no existen.
Desde hace años, laboratorios de todo el mundo exploran una alternativa más elemental: usar directamente la radiación solar para evaporar agua salada y condensar el vapor como agua dulce. Un material oscuro absorbe la luz, concentra el calor en la superficie del agua y genera vapor que luego se recoge. En su versión más simple, el sistema puede funcionar con muy poca infraestructura.
Pero tiene un problema recurrente. A medida que el agua se evapora, la concentración de sales en la zona de contacto con el material aumenta. Si esa concentración supera cierto umbral, los cristales empiezan a formarse, tapan los poros, bloquean la absorción de luz y frenan la llegada de más agua. El rendimiento cae, a veces drásticamente. Y el problema se agrava con aguas más saladas, justo donde la tecnología podría resultar más útil.
Un equipo internacional liderado por investigadores de la Universidad de Shinshu, en Japón, acaba de publicar un enfoque que ataca ese cuello de botella desde un ángulo inesperado: la biología marina.
Un material que mira al mar para resolver un problema del mar
Los peces marinos llevan millones de años viviendo inmersos en agua salada sin que el exceso de iones descontrole su equilibrio interno. Sus branquias no funcionan como un filtro pasivo. Regulan de forma simultánea el movimiento del agua y de los iones, manteniendo la concentración interna dentro de márgenes muy estrechos.
Los investigadores trasladaron esa lógica a un material sólido: un aerogel —una estructura ultraporosa y extremadamente liviana, compuesta casi enteramente de aire atrapado en una red sólida— fabricado con carboximetilquitosano y alginato de sodio, dos polímeros que se obtienen de biomasa marina y de algas. Para que la superficie absorba la radiación solar y la convierta en calor incorporaron negro de carbono producido a partir de bambú carbonizado. El resultado es un material oscuro, poroso y muy liviano, capaz de flotar sobre el agua y concentrar la energía solar justo en la interfaz donde ocurre la evaporación.
Dos defensas contra la sal, trabajando en paralelo
La estructura del material contiene grupos funcionales con carga eléctrica negativa que dificultan la entrada de ciertos iones hacia la superficie. Los investigadores lo relacionan con un fenómeno conocido en fisicoquímica como efecto Donnan, por el cual una membrana cargada altera la distribución de iones a ambos lados. En términos prácticos, la propia composición química del aerogel frena la velocidad a la que las sales se acumulan cerca de la zona de evaporación.
Por otro lado, los grupos hidrófilos del material retienen una fina película de agua sobre la superficie del aerogel. Esa capa se renueva de forma continua, arrastrando las sales que alcanzan la interfaz y devolviéndolas al cuerpo de agua debajo. La combinación de ambos efectos —regulación iónica y película móvil— replica de forma simplificada la doble función que cumplen las branquias en los peces de agua salada.
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Rendimiento en laboratorio y en condiciones reales
Con agua a una salinidad del 3,5 %, similar a la del océano, el evaporador alcanzó 2,88 kg de agua evaporada por metro cuadrado y por hora bajo una irradiación equivalente a un sol. Con agua de mar real recogida en Yurihonjo, Japón, el valor fue de 2,85 kg/m²/h durante ocho horas continuas, y el análisis del agua condensada mostró concentraciones de sodio, potasio, magnesio y calcio muy por debajo de los umbrales de potabilidad que los investigadores usaron como referencia.
La prueba más exigente llegó con una salmuera al 20 % de cloruro sódico, casi seis veces más concentrada que el agua marina. Usando solo el mecanismo de regulación iónica, la evaporación arrancó en torno a 2,68 kg/m²/h pero perdió rendimiento rápidamente por la cristalización. Activando ambos mecanismos en conjunto —regulación iónica y película superficial—, el sistema funcionó 24 horas continuas con esa misma salmuera sin acumulación visible de cristales.
Siete días entre luz y oscuridad
El equipo sometió el aerogel a siete días consecutivos en salmuera al 20 %, alternando 10 horas de iluminación y 14 de oscuridad cada jornada. Durante las horas de luz, la evaporación se mantuvo cerca de 2,5 kg/m²/h. En las fases oscuras, el intercambio térmico con el entorno y el calor residual sostuvieron la evaporación alrededor de 0,5 kg/m²/h. La producción media registrada fue de 32,63 kg/m² al día, un dato que corresponde a masa de agua evaporada en condiciones experimentales y no puede trasladarse directamente a la producción de un dispositivo comercial.
También se realizaron ensayos al aire libre en el campus de la Universidad de Shinshu, en Ueda. Con una irradiación máxima de 0,76 soles —inferior a la del simulador—, la evaporación llegó a 2,16 kg/m²/h al mediodía. Después de veinte días sumergido en agua marina real, el aerogel conservó su capacidad de recuperación mecánica en húmedo y un rendimiento de evaporación elevado.
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Biomasa, biomimética y materiales biobasados
La estructura del aerogel está construida fundamentalmente con quitosano modificado —derivado de la quitina presente en los caparazones de crustáceos— y alginato obtenido de algas pardas, acompañados de carbono de bambú. Los tres son materiales derivados de biomasa, renovables y con una huella ambiental significativamente menor que muchos polímeros sintéticos usados en otros evaporadores experimentales.
El enfoque se inscribe en una tendencia más amplia que está ganando terreno en la ciencia de materiales: la biomimética. Se trata del diseño de soluciones tecnológicas que replican estrategias desarrolladas por organismos vivos a lo largo de millones de años de evolución. En este caso, las branquias de los peces marinos ofrecieron el modelo funcional; la biomasa marina y vegetal, la materia prima. La convergencia entre un principio biológico y una construcción material de origen biológico le da al trabajo una coherencia poco frecuente en este campo.
El estudio también evaluó la citotoxicidad del material. Tras dos días de incubación con fibroblastos, la viabilidad celular fue del 88 %, por encima del umbral del 70 % que los investigadores emplearon como referencia de baja citotoxicidad. Es una prueba preliminar de compatibilidad biológica, no una certificación para producción de agua potable, pero apunta en la dirección correcta.
Lo que falta para salir del laboratorio
Un evaporador eficiente es solo una parte de un sistema de obtención de agua dulce a partir del mar. El vapor generado necesita condensarse y recogerse de manera eficiente. La salmuera residual debe gestionarse. La durabilidad del material tiene que probarse durante meses o años, no días. Y el costo por litro de agua producida debe compararse con las alternativas disponibles.
La ósmosis inversa opera a escalas que un evaporador solar pasivo no puede alcanzar, y la energía solar disponible por metro cuadrado impone un techo físico a la productividad de cualquier sistema de este tipo. Son partidas distintas.
El nicho más plausible para tecnologías como esta se encuentra en lugares donde la infraestructura para una planta industrial no existe, donde la electricidad es escasa o cara, y donde las necesidades de agua son moderadas pero críticas. Islas, comunidades costeras remotas, situaciones de emergencia, instalaciones aisladas. Contextos donde un dispositivo compacto, sin partes móviles y alimentado por el sol puede marcar la diferencia entre tener agua y no tenerla.
El aerogel de Shinshu todavía no resuelve todas esas incógnitas. Pero demuestra que un material de biomasa, inspirado en la biología marina y alimentado por energía solar, puede mantener la evaporación estable durante días incluso frente a salmueras extremas. El próximo paso será verificar si ese rendimiento se sostiene a escalas mayores, durante periodos más largos y con costos que permitan fabricar dispositivos funcionales fuera de un laboratorio.
