El recurso del agua de niebla generada por evaporación del agua del mar y trasladada por el viento hacia el continente brinda una gran oportunidad para abastecer de este recurso hídrico a diversos sectores del Desierto de Atacama. Este artículo da cuenta de la investigación interdisciplinaria que lleva a cabo el Centro del Desierto de Atacama de la Pontificia Universidad Católica de Chile con el objetivo de innovar en el diseño de Colectores de Agua de Niebla (CAN) para optimizar el rendimiento de la colección de agua y la estabilidad funcional del sistema. Se describen las estrategias de diseño, los aportes de las diversas disciplinas involucradas y los principales logros de la investigación, entre los que destacan un sistema de alivio de la presión ocasionada por los fuertes vientos, una nueva configuración espacial que permite aumentar la superficie de colección y un sistema modular de unidades aditivas.
Agua de niebla FOG WATER
Robert Holmes Arquitecto de la Pontificia Universidad Católica de Chile _ Académico de las Escuelas de Diseño e Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Architect, Pontificia Universidad Católica de Chile _ Academic, Schools of Design and Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.
Water as a resource, generated by evaporation of seawater, which in turn is carried to the continent by the wind, offers a great opportunity to supply this hydric resource to diverse areas in the Atacama Desert. The present article gives an account of the interdisciplinary research carried out by Pontificia Universidad Católica de Chile’s Atacama Desert Centre, aimed at innovating in the design of Fog Water Collectors (FWC) to optimize the yield of water collected and the functional stability of the system. Design strategies are described, as well as contributions made from the various disciplines involved and the main achievements of the research, among which stand out a relief system for the high pressures caused by strong winds, a new spatial configuration that allows increasing collection area, and a modular system of additive units. Colectores _ agua _ niebla _ Desierto de Atacama _ interdisciplina _ viento. Collectors _ water _ fog _ Atacama Desert _ interdiscipline_ wind.
10 DISEÑA PROYECTOS
Fotografía Guy Wenborne, Pan de Azúcar.
11
Un campo interdisciplinario: lugares para una nueva mirada
Equipo de investigación del Centro del Desierto de Atacama: Pilar Cereceda: Geógrafa de la Pontificia Universidad Católica de Chile _ Académica del Instituto de Geografía de la Pontificia Universidad Católica de Chile
Nube sobre cerros.
Robert Holmes: Arquitecto de la Pontificia Universidad Católica de Chile _ Académico de las Escuelas de Diseño e Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile Juan de Dios Rivera: Ingeniero de la Pontificia Universidad Católica de Chile _ M.Sc. de la University of Michigan _ Ph.D Pennsylvania State University _ Académico de la Escuela de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile
Vida en el desierto.
Diego López-García: Ingeniero de la Universidad Nacional de Cuyo _ M.Sc. University at Buffalo _ Ph.D University at Buffalo _ Académico de la Escuela de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile
Presentaciones en seminarios y congresos Seminario Interdisciplina en la UC. Vicerrectoría de Investigación PUC, Santiago de Chile, diciembre 2011. Workshop on fundamentals of Fog Harvesting. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, mayo 2012. Symposium “Fog: A source of freshwater”. MIT, CORFO, PUC; La Serena, Chile, enero 2013. International Conference on Fog, Fog Collection and Dew. Yokohama, Japón, mayo 2013. Vida en el desierto.
La creación de lugares para una nueva mirada implica tomar una cierta distancia de nuestro quehacer habitual, de nuestros pensamientos, proyectos, referentes y procesos. Esta distancia permite buscar lugares que nos ofrecen nuevas perspectivas y nuevos potenciales en aquello que teníamos demasiado cerca para mirarlo libre y desprejuiciadamente. Tomar distancia implica el desplazamiento hacia un campo expandido interdisciplinario, con lo cual se genera una nueva geografía del conocimiento como producto de confluencias e interacciones entre contenidos y experiencias de muy diverso origen. Esta operación estratégica nos posibilita el explorar y experimentar en las zonas híbridas que se generan entre las estructuras disciplinarias ya consolidadas. Gracias a la condición dinámica de la analogía se desencadenan procesos de transferencia y desplazamiento conceptual, entrecruzamientos y confrontaciones de experiencias diversas que abren e iluminan nuevos espacios para la reflexión teórica y el ejercicio proyectual. Estos procesos tensionan nuestra curiosidad, cuestionan nuestras certezas y estimulan nuestros sueños. Así, se van diluyendo las fronteras de nuestro enclaustramiento disciplinario y van apareciendo nuevas áreas de insospechada fertilidad para la innovación. No es fácil modificar los hábitos de nuestro propio quehacer y, por lo tanto, para acceder a las potencialidades de esta nueva geografía interdisciplinaria se necesita una actitud de apertura a la experiencia, principalmente en lo que se refiere a la curiosidad que nos induce a la exploración y a la experimentación. Esto se debe complementar con el desarrollo de ciertas capacidades que sustentan la creatividad, tales como la flexibilidad, la conectividad y la capacidad de asombro.
Investigación interdisciplinaria en el CDA – PUC El Centro del Desierto de Atacama PUC se ha constituido en un gran laboratorio para la experimentación y el desarrollo de proyectos complejos que requieren la concurrencia de diversas disciplinas. Esta aproximación interdisciplinaria a los nuevos escenarios para la innovación en el desarrollo sustentable ha sido extraordinariamente fértil si se considera
que este enfoque no está sustentado en una sumatoria de los conocimientos propios de cada disciplina, sino en una experiencia de interacciones que nos permite modificar y enriquecer nuestros conocimientos específicos, es decir, en una comprensión de lo propio contextualizado en esta dimensión de la interdisciplina. Hoy nuestro foco está en el potencial de la captación de agua de niebla en el litoral del Desierto de Atacama, que está avalado por el trabajo en terreno realizado durante muchos años por geógrafos chilenos. Actualmente nuestro equipo interdisciplinario de investigadores del CDA - PUC está desarrollando proyectos de investigación relacionados con el tema de captación de agua de niebla para Interdisciplina UC, CORFO-Innova y MIT International Science and Technology Initiatives (MISTI), con la participación de las disciplinas de la geografía, el diseño, la ingeniería y la agronomía.
El problema de la escasez de agua en el Desierto de Atacama se ha agudizado en los últimos decenios por el mayor uso del recurso que hacen la minería y la agricultura.
Proyecto “estrategias de diseño para la optimización de colectores de agua de niebla” 1. Antecedentes
El problema de la escasez de agua en el Desierto de Atacama se ha agudizado en los últimos decenios por el mayor uso del recurso que hacen la minería y la agricultura. La disminución de las precipitaciones y los mayores ciclos de sequía agravan el problema. En la actualidad se entregan cifras alarmantes de falta de agua para los años venideros y por eso es importante mejorar sustancialmente los recursos alternativos, como la recarga de acuíferos y la colección de aguas lluvia y de niebla. La confluencia de varios factores geográficos en diversas zonas costeras del Desierto de Atacama crea una condición muy favorable para la captación de agua de niebla, útil para abastecer a asentamientos humanos, mineros y agrícolas, sin distraer otros recursos hidrológicos convencionales. Estos sistemas de captación de agua de niebla ya han sido probados con éxito en Chile y otros países del mundo1 . Los colectores de agua de niebla (atrapanieblas) son instrumentos utilizados desde hace tres décadas en Chile. Sin embargo, se han desarrollado desde los conocimientos y experiencia de la geografía a través de un proceso de “ensayo y error”,
Desierto de Atacama.
1 Al respecto, ver www.fogquest.org
PROYECTOS
Bosque de niebla, Fray Jorge. 13
Estación Experimental Alto Patache.
Estación Experimental Majada Blanca.
Estación Experimental Peñablanca.
Embolsamiento. Ruptura concentración de tensiones.
sin mayores variaciones en su tamaño, diseño ni materiales, siguiendo una tradición comenzada en El Tofo, cuando se dotó con éxito al pueblo de Chungungo, de 300 habitantes, con 11.000 litros de agua al día durante casi 10 años. Por ello, estimamos que ha llegado el momento de avanzar en una tecnología que permita una sustentabilidad en el tiempo y que Chile siga siendo pionero en este tema tan crucial. La información registrada en las estaciones de monitoreo instaladas en diversos lugares del territorio desértico costero (Alto Patache, Peñablanca, El Tofo, Totoralillo, Majada Blanca y bosque Fray Jorge) ha entregado cifras muy positivas, las que aseguran la viabilidad de esta opción. Uno de los problemas en la replicabilidad de este “exitoso” sistema de dotación de agua no tradicional ha sido que la construcción de los Colectores de Agua de Niebla (CAN), o atrapanieblas, no se
14 DISEÑA PROYECTOS
ha enfrentado desde una perspectiva interdisciplinaria. Tampoco se ha abordado el proceso con tecnologías avanzadas. La experiencia actual a nivel nacional e internacional se ha limitado a instalaciones de pequeños formatos, denominadas Standard Fog Collectors (SFCs), o instalaciones mayores denominadas Large Fog Collectors (LFCs), ambas con tecnologías poco desarrolladas, con debilidades en su diseño y sin considerar instalaciones a mayor escala y la replicabilidad para uso masivo. 2.
2.1.
El proyecto Objetivos
El proyecto está enfocado en el diseño de Colectores de Agua de Niebla (CAN) con el objetivo de optimizar su funcionalidad, factibilidad productiva, localización, instalación, mantención y costos correspondientes para formularlo como un producto genérico universal. Para lograr estos objetivos es indis-
Ruptura extensa.
pensable reconocer la complejidad y la diversidad del conocimiento y las experiencias concurrentes. Para asumir este desafío se ha desarrollado un proceso de interacción permanente entre las especificidades disciplinarias, lo que permitirá lograr un desarrollo armónico e integral de la propuesta final. 2.2. Aportes de las disciplinas
Para aumentar la eficiencia de un CAN y lograr un costo competitivo de su producto final (litro de agua), hay que estudiar las características del recurso niebla, el diseño del sistema con una estructura resistente, la configuración espacial y su relación con los fenómenos aero-hidrodinámicos, las propiedades de las mallas colectoras, los fenómenos de impacto de las gotas en la malla y el escurrimiento del agua hasta el sistema de almacenamiento. Todos estos aspectos requieren ser abordados desde el conocimiento y experiencias
Colapso estructural.
15
Nuestra propuesta consiste en comprender el comportamiento del viento y plantear un sistema responsivo
Comportamiento del viento sobre superficies porosas Ángulo (a) A/Ao Eficiencia
Barra de contrapeso
según los eventos dinámicos que se van sucediendo.
1,41 36,0%
60
2,00 48,3%
40
2,92 49,2%
Unidad modular embudo de recolección
120
Superficie de recolección 25
160
Coeficiente de fuerza = 1.5 Densidad del aire = 1.15 kg/m3 (94 kPa, 11ºC - 600 m altitud) F = 0,86sv 2 A
Fusible de vértice abatible
Malla Raschell Gotas de agua: eficiencia en impacto en CAN
6
70
Un min. Diez min.
3
50
2 1 0 21:00
22:00
23:00
40
Superficie de recolección
Embudo - cerrado
60
120
Barra de contrapeso Membrana abatible
Plano
160
4
10
Fusible de vértice abatible
80
5
Eficiencia (%)
Velocidad del viento m/s
120
100 90
25
Comportamiento dinámico del viento: majada blanca 7
Dirección del viento
Módulo con malla angulada.
Dirección del viento
90
Barra de contrapeso Membrana abatible
120
120 1,15 29,2%
0
Dirección del viento
Fusible de vértice abatible
180 1,00 25,5%
160 1,02 26,6%
30 20 10 0
Embudo - abierto
0:00
Tiempo, hora : minutos
Dirección del viento Tenso-estructura
CAN malla angulada - velocidad del viento (GDF - COMSOL)
CAN - unidad modular
Malla vertical 75
75
50
50
fe Ø5cms
50
50
30
ca
1260
200
100
250
75
400 150
anclaje CORTE 2 E 1:50 30
anclaje
75
75
cable
100
100
100
100
100
210 10
250
0
75 75
100
cab
400
le 30
cable
2”
e
10
100
210 10
E2
fe Ø2cms
cable
cable
75
fe
0 30
ca
100
100
210 10
C3
100
100
210 10
100
100
210
malla horizontal fe Ø2”
100
malla horizontal
fe Ø
cable horizontal + diagonal 100
210 10
100
100
210 10
100
30 75 75
2”
0
e
C2
100
210 10
malla horizontal
cable horizontal
bl
PLANTA E 1:50
75 75
malla horizontal fe Ø2”
anclaje
cable
malla horizontal
cable horizontal + diagonal
fe Ø 4”
45 º
malla horizontal
Ø
2”
fe Ø 4”
anclaje CORTE 3 E 1:50
fe Ø5cms
ca
ble
fe Ø2cms
cable
45º
2”
fe Ø2cms
cable
150
Ø
fe Ø2cms
cable
ca
fe Ø2cms
2”
fe Ø2cms
cable
cable
fe
Ø
0
fe
30
ble
Malla vertical
e
fe Ø 2”
bl
45º
ca
E1
150 150
CORTE 1 E 1:50
E1
cable malla vertical fe Ø 4”
100
cable horizontal + diagonal
cable
100
210
150
Ø fe
30
ca
100
fe Ø2”
cable horizontal 210
2”
100
fe Ø2”
fe Ø2cms
Ø fe
100
210 10
bl
75 75
210 10
ca
ble
0
cable horizontal + diagonal
600
cable
150
ma lla
ma lla
45 º
fe Ø
2”
ma lla
ma lla
ll a
ll a
ma lla
fe Ø 4”
45º
ma
45º
75
ma
fe Ø 4”
ble
fe Ø5cms
cable
ca
fe Ø5cms
cable
2”
fe Ø5cms
cable
ble
2”
cable
fe Ø5cms
cable
Ø
cable
ca
Ø
fe Ø5cms
fe Ø5cms
0
20
50 50
malla horizontal fe Ø2cms
fe
30 fe
fe Ø 2”
e
ma lla
bl
600
2” Ø fe
fe Ø 4”
cable
300
anclaje ELEVACIÓN 2 E 1:50
212 212
cable
150
100
fe Ø2”
2”
100
malla vertical
150
cable
cable
fe Ø 4”
2”
50
fe Ø
2”
fe Ø
100
cable
cable
100
cab
600 400
le
200 fe Ø 4”
50
cable
ca
45º
16 DISEÑA PROYECTOS
Ø fe
fe Ø2”
E1
Análisis Aero-Hidrodinámico. Módulo CFD de Comsol Multiphysics. Emilio de la Jara Hartwig.
fe Ø2cms
100 100
ll a
En la Estación Experimental de Peñablanca se han instalado diversos colectores experimentales (Standard Fog Collector SFC y Large Fog Collector LFC, según
100
ma
100
ll a
Trabajo experimental en Estación de Peñablanca
fe Ø2cms
anclaje 100
ma
2.3.1.
75 75
ll a
Trabajo experimental
212 212
ll a
2.3.
fe Ø2cms
ELEVACIÓN 1 E 1:50
anclaje
ma
de diseño para la integración de los factores funcionales y operativos, en la configuración espacial para la optimización de la captación y en el diseño de sistemas de tenso-estructura como estrategia de optimización de los recursos materiales, la producción, el montaje, la mantención, la reutilización y el reciclaje.
ma
experiencia en mecánica de fluidos y flujos de gases con partículas. Contribuyen en el análisis y evaluación de la eficiencia de captación y conducción del agua por medio de modelos analíticos y numéricos. También hay un aporte de ingeniería en la caracterización mecánica de materiales por medio de ensayos, en análisis de estructuras especiales mediante el desarrollo de modelos de elementos finitos no-lineales (grandes deformaciones), y en el análisis para un diseño óptimo de sistemas estructurales innovadores. El investigador del área de diseño industrial aporta su conocimiento y experiencia en el desarrollo de las estrategias
fe Ø2cms
fe Ø5cms
45º
de diversas disciplinas, cuyos aportes son concurrentes para el desarrollo de un proyecto de innovación. Los investigadores del área de la geografía aportan conocimiento y experiencia sobre las condicionantes geográficas y climáticas relacionadas con la captación del agua de niebla. Los temas específicos se refieren al comportamiento de la niebla, el potencial de captación en relación a su ubicación geográfica (la que está en directa relación a su posición dentro de la nube estratocúmulo u orográfica) y las formas del relieve y la topografía. Por su parte, los investigadores de área de la ingeniería aportan conocimiento y
fe Ø2cms
2”
fe Ø2cms
fe Ø2cms
cable
100
fe Ø 4”
fe Ø 4”
300
fe Ø 4”
cab
le
ca
Ø fe
Malla diagonal - cerrada
2”
Malla diagonal - abierta
Ø fe
Malla frontal
ble
ble
ca
e
e
bl
ble
ca
bl
ca
C1
E2
E1
17
Multiplicación superficie – fractales
nomenclatura universal) para evaluar su rendimiento de colección de agua, sus cualidades responsivas a las solicitaciones ambientales (como los fuertes vientos, la irregularidad topográfica y los rayos UV), y para evaluar el proceso de instalación, mantención y reposición de componentes, considerando el difícil acceso a los lugares seleccionados por su potencial de agua de niebla. Estas experiencias han permitido exponer las cualidades y las debilidades del sistema tradicional de los CAN y, a partir de ello, surgen las propuestas de innovación para la optimización del sistema. Se ha podido medir el rendimiento de captación de agua obteniendo un promedio de seis litros por metro cuadrado de superficie por día. También se ha podido observar el comportamiento de las instalaciones frente a los fuertes vientos, situación que ha producido: a) embolsamiento de la malla por deformación plástica y elástica; b) ruptura por concentración de tensio-
nes; c) ruptura extensa de grandes superficies; d) colapso de la estructura. 2.3.2. Trabajo experimental en laboratorio
Se ha desarrollado un trabajo de análisis aero-hidrodinámico del impacto de las gotas de agua en la malla de colección mediante simulación digital. Esto se complementará con un trabajo experimental en túnel de viento. También se ha construido un prototipo para evaluar el diseño del sistema, sus componentes y procesos de instalación. 2.3.3. Trabajo experimental complementario
El trabajo realizado paralelamente en Majada Blanca (proyecto CORFO-Innova) ha permitido obtener información muy precisa del comportamiento del viento y la niebla por medio de un sistema de monitoreo a distancia diseñado por el profesor Richard Le Boeuf y la evaluación en terreno de un CAN de grandes dimensiones (9 x 20 m) instalado recientemente.
3.
Estrategias de diseño para el nuevo Colector de Agua de Niebla (CAN)
3.1.
Nueva configuración espacial de la superficie de colección
Se hicieron varios estudios de eficiencia en la colección del agua de niebla en diversas configuraciones espaciales de la malla con respecto a su exposición al viento, incluida la forma habitual, que es un plano perpendicular al viento. A partir de este plano, se evaluó una serie de configuraciones tipo “embudo” con angulaciones progresivas que presentaron resultados en una correlación de optimización de colección de agua para un mismo frente de exposición. Esta estrategia para aumentar la superficie de colección de agua se puede seguir desarrollando como intervención directa en la morfología de la malla por medio de un proceso de multiplicación fractálica. 3.2. Sistema de alivio de presión
Uno de los grandes problemas que han presentado las instalaciones tradicionales de CAN ha sido la insistencia en la estrategia de crear soluciones basadas en la oposición al viento. En los estudios de casos tanto a nivel nacional como internacional hemos podido comprobar cómo estas oposiciones finalmente son sobrepasadas por los fuertes vientos con ráfagas de 100 km/h (28 m/s) y más. Nuestra propuesta, en cambio, consiste en comprender el comportamiento del viento y plantear un sistema responsivo según los eventos dinámicos que se van sucediendo. Para esto hemos diseñado un sistema de alivio de presión que se ubica en el vértice del espacio-embudo, donde concurren los planos angulados de las mallas. Este
diseño tiene su origen en la observación de las mangas-veletas de viento usadas en los aeropuertos, que son activadas precisamente por el viento. En nuestro diseño, estas mangas tipo repisas tienen en su extremo unas barras de calibración, para que su activación esté determinada por una presión del viento predeterminada. 3.3.
Tenso-estructura como soporte del sistema
Según los requerimientos de estabilidad estructural y considerando los fuertes vientos como el principal desafío, la solución más eficiente para el diseño de una estructura es un sistema de tenso-estructura. Además de esto hay otras implicancias, como la facilidad de transporte, mantención y reemplazo de componentes, así como las operaciones sencillas de la instalación y un bajo costo. Este sistema permite reducir al máximo el volumen del material y peso involucrado, según un análisis que hace posible diferenciar los componentes solicitados a la compresión de aquellos solicitados a la tracción, que pueden ser reemplazados por tensores. 3.4.
Sistema modular de unidades aditivas
Estas configuraciones tipo embudo con un fusible de alivio de presión constituyen el módulo básico de sistemas aditivos integrados al soporte de tensoestructura. Esta estrategia permite una mejor adaptación de las instalaciones a las condiciones particulares de la topografía de cada lugar, facilita el proceso de instalación, y posibilita reparar o reemplazar componentes y, asimismo, la replicabilidad del CAN mediante procesos productivos etandarizados.
Conclusiones Las principales conclusiones de esta investigación son las siguientes: a) La comprensión del comportamiento del viento sugiere un nuevo enfoque para lograr un diseño eficiente, que consiste en un traslado estratégico desde el concepto de sistema resistente hacia el concepto de sistema responsivo. b) La configuración espacial del CAN que genera una forma de embudo por medio de los planos diagonales de las mallas es una solución muy eficiente en cuanto a la colección de agua y en cuanto a la conducción del viento hacia el fusible, ya que permite aliviar presiones. c) Esta investigación ha abierto nuevas preguntas que estimulan la innovación desde una perspectiva interdisciplinaria, tales como el desarrollo de estudios sobre las variables geográficas y el comportamiento aero-hidrodinámico de la niebla en cañones o quebradas o las posibilidades de un diseño integral de colectores asociados a sistemas productivos como los cultivos hidropónicos. d) En el proceso de escalamiento del CAN es necesario considerar su impacto en el paisaje y en la naturaleza del lugar. En este sentido, la instalación de los CAN de grandes dimensiones implica la generación de un En el proceso de escalamiento del CAN es necesario considerar su impacto en el paisaje y en la naturaleza del lugar.
nuevo paisaje en el cual se debe lograr una relación armónica entre tecnología y naturaleza.
DNA
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