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Material revolucionário pode trazer à realidade as fazendas de umidade de Star Wars

13:05:00

- Atualizado no dia 8 de outubro de 2025 -

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         Apesar de cerca de 71% da superfície do nosso planeta ser coberta por água, menos de 3% do total dessa substância, essencial para a nossa sobrevivência, é composta por água doce, ou seja, água que pode ser usada para o consumo. Além disso, mais de dois terços dessa água doce se encontra presa nas geleiras e outras grandes massas de gelo. Em outras palavras, a água que é diretamente acessível hoje para o consumo humano - e outras atividades como agricultura e pecuária - corresponde a menos de 1% do total. E em meio a uma população mundial cada vez crescente, mudanças climáticas, devastação de ecossistemas e falta de consciência ambiental da maioria, a escassez de água já é um grave problema mundial, afetando  diretamente cerca de 700 milhões de pessoas em 43 países, e bilhões em alguma extensão. 

          Nesse contexto, as regiões mais secas e desérticas são as mais prejudicadas, especialmente aquelas com acesso limitado a recursos tecnológicos como as caras plantas de osmose reversa, as quais permitem a dessalinização de águas salobras para o consumo humano. Mas uma invenção baseada em "gaiolas moleculares" está ajudando a contornar essas limitações econômicas e tecnológicas, permitindo extração eficiente de água de outra fonte abundante e comum a todas as regiões terrestres: atmosfera.


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          Dessalinização tem sido importante por séculos para a produção de água potável e as tecnologias usadas para esse fim passaram por avanços científicos significativos desde meados do século XX. Atualmente, existem mais de 22 mil plantas de dessalinização ao redor do mundo produzindo diariamente várias dezenas de milhões de metros cúbicos de água potável para mais de 300 milhões de pessoas (Ref.10). Os sistemas de dessalinização podem ser baseados em energia térmica, mecânica, elétrica e química para remover sais e outras impurezas da água salobra.

           Atualmente, uma das opções mais usadas e a mais eficiente para a obtenção de água potável em regiões com extrema escassez hídrica é a dessalinização através de osmose reversa das águas salinas dos mares ou de fontes subterrâneas, onde osmose reversa retira o excesso de sais dissolvidos e tornam a água adequada ao consumo humano. Aproximadamente 85% das plantas de dessalinização são operadas através da tecnologia de osmose reversa, sendo concentradas em especial na região do Oriente Médio. 

           A dessalinização de água por osmose reversa é um processo mecânico de hiperfiltração que retira parte dos sais de água salobra, proveniente de poços ou do mar. Essa filtração é do tipo cruzada, a qual movida por uma força motriz de pressão - excedendo a pressão osmótica - permite a passagem de água da região concentrada em solutos para menos concentrada acompanhada por pequena quantidade de sais, originando uma corrente de água purificada compatível com os padrões de potabilidade. O filtro nesse sistema é baseado em membranas semipermeáveis que permitem a passagem de moléculas de água mas bloqueia sais, microrganismos e outros componentes indesejáveis. As membranas filtram com base em tamanho molecular ou particular e em interações químicas.

           Nesse último ponto, além da remoção do excesso de sais, a osmose reversa também retira contaminantes microbiológicos potencialmente prejudiciais à saúde humana.

          Porém, essa é uma tecnologia muito cara e energeticamente muito custosa, sendo adotada de forma mais ampla apenas em países ricos e desenvolvidos, como Israel e Austrália. Demanda energética é alta nas plantas de osmose reversa - respondendo por 30-50% dos custos operacionais - e o custo de manutenção é alto. Por exemplo, as membranas de osmose reversa - tipicamente baseadas em filmes de poliamida - possuem vida útil de apenas 2-5 anos. Um típico sistema de osmose reversa requer 3–10 kWh/m3 de energia elétrica para produzir água potável a partir de água marinha (Ref.11).

            E outro problema que se soma ao alto custo das plantas de osmose reversa: independentemente da eficiência da membrana e da estrutura instalada dos dessalinizadores, o sistema produzirá a água potável, mas também irá gerar um rejeito altamente salino e de poder poluente elevado que precisa de um manejo adequado sobre pena do efeito na salinização do solo causar sérios danos ambientais e à população humana local.

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> Cerca de 150 países dependem da dessalinização da água marinha como fonte de água potável. Vários avanços tecnológicos têm sido feitos nessa área nas últimas décadas, resultando em membranas de osmose reversa mais eficientes, menos poluentes e redução do custo energético a partir da exploração de energias renováveis, como solar, geotérmica e eólica. Sistemas híbridos envolvendo osmose reversa com diferentes técnicas de dessalinização também têm sido aplicados para a redução dos custos. Mas mesmo com esses avanços ou potenciais avanços, o uso em larga escala da osmose reversa ainda é muito limitado em regiões de baixo desenvolvimento socioeconômico. Ref.12-14

> Pelo menos 4 bilhões de pessoas - cerca de dois terços da população mundial - experienciam escassez aguda de água ao longo de pelo menos um 1 mês ao ano. E cerca de 45% da população mundial atualmente vive em regiões áridas com deficiência de água potável. E é estimado que a cada 20 anos, a quantidade de água potável consumida pode dobrar por causa do crescimento populacional e aumento dos padrões de vida. Ref.15

> O método mais antigo de dessalinização das águas para a obtenção de água adequada ao consumo humano é a destilação, usada, no mínimo, desde o século XVI. Basicamente, água salobra é aquecida e o vapor resultante é resfriado e coletado. Ainda hoje existem plantas térmicas que realizam destilação da água marinha para a produção de água potável. Porém, o custo energético e a produção de gases estufas dessas plantas é maior do que plantas baseadas em osmose reversa.

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          Para garantir água à populações humanas em regiões mais pobres, outras estratégias tecnológicas baratas precisam ser desenvolvidas. Uma dessas estratégias é o desenvolvimento de dispositivos parecidos com uma esponja capazes de coletar e facilmente liberar grande quantidade de água a partir da unidade do ar, mesmo em regiões desérticas. Em 2017, um estudo publicado na Science (Ref.1) descreveu pela primeira vez um desses dispositivos (foto abaixo), baseado em materiais conhecidos como armações organometálicas (MOFs) e alimentado energeticamente com simples aquecimento solar - uma fonte de energia abundante nas regiões áridas e semiáridas de interesse. 


Dispositivo para a colheita de água em regiões desérticas, baseada no MOF-801. 

           O dispositivo em questão possui o potencial de produzir quase 3 litros de água por dia para cada quilo (kg) de material adsorvente (MOF-801) em áreas com umidade do ar tão baixa quanto 20%. E avanços com esse tipo de material nos últimos anos são ainda mais promissores


   ESPONJAS MOLECULARES

           Segundo a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), os MOFs (Metal-Organic Frameworks) representam estruturas sólidas e cristalinas caracterizadas por "uma rede de coordenação com ligantes orgânicos contendo cavidades potencialmente vazias". Essas cavidades estruturais ou poros tornam o material extremamente poroso e com altíssima superfície de contato: área superficial de até 10000 m2/g. Referenciados também como "polímeros de coordenação", os MOFs são capazes de adsorver com alta eficiência e quantidade moléculas diversas, incluindo gases. Importante, moléculas podem entrar e sair facilmente dos poros desses materiais.

Estrutura do MOF-5, Zn4O(BDC)3·(DMF)8(C6H5Cl). Esse foi o primeiro MOF sintetizado na história, pelo químico Omar M. Yaghi e seu time de pesquisa. O MOF-5 é composto de grupos tetraédricos de [Zn4O]6+ ligados por moléculas de 1,4-benzenodicarboxilato (ligante), resultando em uma rede organometálica cúbica. Na figura, os tetraedros azuis são os grupos coordenados de zinco, esferas pretas são átomos de carbono (C) e esferas vermelhas são átomos de oxigênio (O). A esfera grande amarela é o volume do poro. O MOF-5 possui uma área superficial de 6500 m2/g e é capaz de adsorver gases.
 
Estrutura do Fe-MOF-74, com poros hexagonais. Cores: cinza para C, vermelho para O, amarelo para ferro (Fe). Átomos de hidrogênio e moléculas de solventes estão omitidos. Esse MOF possui propriedades catalíticas.


(a) Imagem de microscopia eletrônica de transmissão de altíssima resolução de uma nanopartícula (20 nm) de Zn-MOF-74 orientada ao longo da direção [001], mostrando um arranjo hexagonal dos poros; (b) uma visão mais aproximada dos poros da partícula, onde os clusters de Zn podem ser visualizados. Ref.16

           O tamanho dos poros dentro da estrutura cristalina dos MOFs pode ser controlado por dois caminhos:

- aumentando ou encurtando o comprimento dos ligantes orgânicos (linkers);

- ou através do uso de surfactantes como agentes direcionadores de estrutura (template).

            Isso permite a criação de materiais microporosos, mesoporosos e macroporosos, possibilitando a presença de poros com dimensões superiores a 2 nanômetros (nm).
 
Variações do MOF-5 exibindo cavidades ou poros de diferentes tamanhos, através do uso de ligantes orgânicos de diferentes comprimentos.

          Alguns MOFs exibem grande flexibilidade estrutural, permitindo deformação reversível quando uma substância é adsorvida ou por efeito de um estímulo externo (luz, temperatura ou campo elétrico). Esses materiais são chamados de breathing MOFs ou MOFs dinâmicas. E ainda temos MOFs que podem sofrer modificações pós-sintéticas sem alterar a topologia do material. Estas funcionalizações consistem em introduzir grupos funcionais (moléculas ou íons) na estrutura da MOF já sintetizada visando reconhecimento molecular de sítios específicos. A funcionalização da "parede" dos poros é de especial importância em aplicações catalíticas.

           Alta cristalinidade, valores elevados de área superficial, baixa densidade (ex: 0,124 g/cm3), boas estabilidades térmica e química, forma controlável, dimensão dos poros controlável e possibilidade de funcionalização desses poros permite a aplicação dos MOFs em várias áreas, como armazenamento e separação de gases; catálise heterogênea; liberação de fármacos; fotônica; desenvolvimento de biossensores; bioimagem; armazenamento de energia; óptica; entre outras (Ref.17-18).

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> A ligação química metal-ligante envolvida na formação de MOFs é de natureza predominantemente covalente do tipo ácido/base de Lewis (íon metálico e ligante, respectivamente), visto que se tratam de compostos de coordenação. Mas um espectro de forças não-covalentes também atuam estabilizando as estruturas dos MOFs e favorecendo a acomodação de várias moléculas nos poros.

> Vários cátions metálicos de alta valência são usados na estrutura dos MOFs, como Al3+, Cr3+, Fe3+, Ti4+ e Zr4+.

> O Prêmio Nobel de Química 2025 foi concedido a três pesquisadores pioneiros no desenvolvimento de MOFs: Susumu Kitagawa, Richard Robson e Omar M. Yaghi. Ref.19
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   FAZENDAS DE UMIDADE

         Estima-se a existência de quase 13 sextilhões de litros (1021 litros) de água na atmosfera terrestre a qualquer dado momento. Isso equivale a quase 14% de toda a água doce presente nos lagos e rios da Terra. Toda essa água reciclável é proveniente da evaporação dos reservatórios de água na superfície terrestre (mares, rios, lagos, etc.) e da transpiração dos seres vivos, fazendo com que água líquida se transforme em vapor e se misture com o ar à nossa volta. Quando correntes de ar ascendem com o vapor de água, este vai para altitudes maiores, se condensa na forma de nuvens e precipita na forma de chuva, fechando o ciclo da água no planeta. Além das nuvens abundantes no céu, basta deixar uma latinha gelada ao ar livre para ver um grande número de gotículas se condensando na superfície e evidenciando a enorme quantidade de água no ar ao nosso redor.

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> Aliás, o vapor de água na atmosfera é o principal gás estufa da Terra e quanto maior a temperatura atmosférica, maior a quantidade de água que a atmosfera consegue comportar. Para mais informações: Quais os mecanismos do efeito estufa atmosférico?
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           Há muito tempo os cientistas tentam coletar água do ar de forma eficiente para abastecer regiões enfrentando escassez hídrica, mas todas as tecnologias de absorção/condensação historicamente testadas vinham falhando nesse sentido: ou precisavam de muita eletricidade para funcionar ou exigiam uma alta umidade no ar, tornando-as inúteis para o propósito principal visado. 

          Essa corrida tecnológica chegou a ser referenciada inclusive na cultura popular, especificamente na famosa saga Star Wars. No universo de Star Wars, temos as "fazendas de umidade", instalações devotadas à produção de água a partir de coleta do ar atmosférico e através de máquinas chamadas de vaporators. Em mundos desérticos e quentes da saga, como Tatooine, as fazendas de umidade são uma atividade vital. A família Lars, cujos membros adotaram o herói Luke Skywalker, era proprietária de uma dessas fazendas.

Fãs de Star Wars imediatamente reconhecerão essa paisagem: a fazenda de umidade da família Lars, com seus característico vaporators. Aliás, Owen Lars comprou os icônicos andróides C-3PO e R2D2 por causa da habilidade do C-3PO de falar Boccee a linguagem binária dos vaporators e, no caso do R2-D2, por causa da sua utilidade geral como um droide astromech, o que poderia ser de grande ajuda para monitorar os dispositivos dessas fazendas. (Fonte: Starwars.Wikia)


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          Materiais porosos tradicionais, como zeólitas e sílica gel, podem coletar água do ar via adsorção sob vários níveis de umidade, porém não conseguem comportar grande quantidade de água por kg de material ou requerem alta energia para liberar a água adsorvida. Mas um material poroso inovador pode driblar essas duas limitações: MOFs.

            Nesse sentido, um time de pesquisa da Universidade da Califórnia em parceria com o MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) criou uma espécie de "vaporator" baseado em MOF. O dispositivo formulado baseia-se no MOF-801 - com fórmula Zr6O4(OH)4(fumarato)6 - e é capaz de capturar água da atmosfera em condições ambientes, operando através de aquecimento por luz solar - mesmo de baixa intensidade (<1kW por metro quadrado). 

Unidades estruturais secundárias de Zr6O4(OH)4(-COO)12, as quais são ligadas entre si com fumaratos para formar o MOF-801. As grandes esferas amarela, laranja e verde representam três diferentes poros onde moléculas de água são armazenadas após adsorção. Esferas menores pretas: C (carbono); e vermelhas: O (oxigênio). Poliedros azuis: Zr (zircônio). Ref.1

          O dispositivo é capaz de coletar 2,8 litros de água por quilograma de MOF-801 diariamente em valores de umidade relativa tão baixos quanto 20%, sem necessitar de injeção extra de energia além do aquecimento solar natural (fluxo solar inferior a 1 kW m-2). Durante o dia, regiões desérticas podem ter umidade variando de apenas 10% até 30% de umidade relativa, mas durante a noite, geralmente a umidade fica em torno de 50%. E, é justamente à noite que o dispositivo ficaria captando a água para depois ser colhida de dia, ou seja, podendo render captações acumuladas acima de 3 litros.


           O MOF-801 teve o desenvolvimento liderado pelo químico e pesquisador Omar Yaghi, este o qual vem trabalhando com essa classe de materiais há quase 30 anos. 

            Em 2018, os pesquisadores testaram com sucesso a nova tecnologia na região de Scottsdale, no deserto do Arizona, EUA, onde a umidade no ar costuma cair de 40% à noite para até 5% durante o dia. O teste prático e fora do laboratório foi descrito no periódico Science Advances (Ref.9), utilizando 1,2 kg do MOF-801. Cada kg do material absorvente coletou em torno de 110 gramas de água para cada ciclo noite-dia. 

          Apesar do grande avanço, um problema ainda precisava ser solucionado: o custo do dispositivo. Como é utilizado zircônio na manufatura do MOF-801, e o quilo desse metal custa cerca de $150, o custo final do dispositivo de coleta de água acaba impedindo seu uso em larga escala, principalmente em regiões muito pobres (!).

          Nesse último ponto, Yaghi reportou o desenvolvimento de outro MOF ainda mais promissor: MOF-303, baseado em alumínio. Além do alumínio ser ~100 vezes mais barato do que o zircônio, o MOF-303 mostrou ser duas vezes mais eficiente por kg do que o MOF-801 na coleta de água. E, importante, o MOF-303 pode ser produzido em larga escala e dentro de poucas horas com métodos limpos e com alto rendimento (Ref.20).
 
Estrutura cristalina do MOF-303, com poros quadriculares. Cinza: carbono; verde: nitrogênio; vermelho: oxigênio; poliedro azul: alumínio.

          Em um experimento conduzido em 2022 no deserto de Death Valley, EUA, um dispositivo baseado em MOF-303, e arquitetado por Yaghi e seu time de pesquisa, foi capaz de coletar 210 g de água por dia para cada kg do material (Ref.21). O deserto em questão exibe temperatura de até 60°C durante o dia, 40°C durante a noite e umidade relativa inferior a 7%.

          E grupos independentes de pesquisa têm reportado versões otimizadas do MOF-303 que são ainda mais eficazes na coleta de água (Ref.22).

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> O MOF-303 têm sido explorado também em outras aplicações tecnológicas, como sistemas de resfriamento por adsorção (ACS) e desenvolvimento de membranas de filtração para fins diversos (ex.: dessalinização). Ref.23-25

(!) Em um estudo publicado em 2022, pesquisadores desenvolveram um dispositivo de coleta de água baseado em MOF-801 com um custo total unitário de US$625 considerando a utilização de 1 kg do material adsorvente. O dispositivo é capaz de produzir 3,5 litros de água por dia para cada kg de MOF-801 em uma faixa de umidade relativa de 17-32% e requerendo 1,67-5,25 kWh. Assumindo uma vida útil de 10 anos para o dispositivo, sua eficácia e o seu consumo energético, eles calcularam que o valor final da água produzida é compatível com o custo comercial da água em países de interesse e com o potencial de economia de até ~60% em países como Marroco, Nigéria, México e Jordânia. O dispositivo pode atender as necessidades de >2 bilhões de pessoas. Ref.26
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     CRISE DE ÁGUA NO MUNDO

           A escassez de água já afeta todos os continentes. Cerca de 1,2 bilhão de pessoas, ou quase um quinto da população, vive em áreas de escassez física da água (não existe água suficiente, não sendo apenas uma questão má distribuição), e outras 500 milhões de pessoas estão se aproximando dessa situação. Mais 1,6 bilhão de pessoas, ou quase um quarto da população mundial, encara escassez econômica de água (quando países não possuem a infraestrutura necessária para levar a água de rios e aquíferos até as pessoas).



         E apesar de muitas áreas no mapa acima mostrarem ´pouca ou nenhuma escassez de água´, as preocupações e previsões afetam o mundo inteiro. Na União Europeia, por exemplo, a escassez de água já é um problema significativo, a qual afeta cerca de 11% da sua população e 17% do seu território em alguma extensão. Essa crise de água é um dos principais problemas que o século XXI encara e futuramente os conflitos pela água poderão desencadear numerosos e terríveis conflitos entre as nações. A população cresce de forma desenfreada, e o consumo de água cresce em ritmo duas vezes maior.

          A escassez de água é um fenômeno tanto natural quanto antropogênico, ou seja. Existe água consumível ('água doce') suficiente para a nossa atual população (em torno de 7 bilhões), mas é distribuída de forma desigual ou muito dela é desperdiçada, poluída ou usada de forma insustentável. Nesse ritmo, a partir de 2025, 1,8 bilhão de pessoas poderão viver em países ou regiões com absoluta escassez de água e dois terços da população mundial poderá estar vivendo em condições estressantes de água. 

          E no atual cenário de mudanças climáticas, causado pelo aquecimento global antropogênico, quase metade da população mundial viverá em áreas de alto estresse de água em 2030, incluindo entre 75 e 250 milhões de pessoas na África. Além disso, entre 24 e 700 milhões de pessoas poderão ser forçadas a saírem de regiões áridas e semiáridas de habitação e se transformarem em refugiados.

          Por isso que, além da adoção de medidas sustentáveis/econômicas de utilização da água por todos nós, é de fundamental importância inovações tecnológicas como o MOF-801.


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 REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
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  2. http://www.sciencemag.org/news/2017/04/new-solar-powered-device-can-pull-water-straight-desert-air
  3. http://www.un.org/waterforlifedecade/scarcity.shtml
  4. http://www.iwa-network.org/event/world-water-congress-exhibition-2016/water-scarcity-and-drought-summit/
  5. http://ec.europa.eu/environment/pubs/pdf/factsheets/water_scarcity.pdf
  6. https://water.usgs.gov/edu/watercycleatmosphere.html
  7. http://biology.fullerton.edu/dsc/school/climate.html
  8. https://water.usgs.gov/edu/earthwherewater.html
  9. Fathieh et al. (2018). Practical water production from desert air. Science Advances, Vol. 4, No. 6. https://doi.org/10.1126/sciadv.aat3198
  10. Almetwally et al. (2025). Solar powered reverse osmosis desalination: A systematic review of technologies, integration strategies and challenges. Desalination, Volume 615, 119228. https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119228
  11. Sean et al. (2024). Reverse osmosis integrated with renewable energy as sustainable technology: A review. Desalination, Volume 581, 117590. https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117590
  12. Yao et al. (2024). 0More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination. Science, Vol. 384, Issue 6693, pp. 333-338. https://doi.org/10.1126/science.adk0632
  13. Warsinger et al. (2024). Practical minimum energy use of seawater reverse osmosis. Cell, Volume 8, Issue 11, p3088-3105. https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.08.005
  14. Hassan et al. (2025). Advancements in reverse osmosis desalination: Technology, environment, economy, and bibliometric insights. Desalination, Volume 598, 118413. https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118413
  15. Emad et al. (2024). Reverse osmosis hybridization with other desalination techniques: An overview and opportunities. Desalination, Volume 581, 117600. https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117600
  16. Frem et al. (2018). MOFs (Metal-Organic Frameworks): Uma fascinante classe de materiais inorgânicos porosos. Química Nova, 41(10). https://doi.org/10.21577/0100-4042.20170285
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  20. Zheng et al. (2023). High-yield, green and scalable methods for producing MOF-303 for water harvesting from desert air. Nature Protocols 18, 136–156. https://doi.org/10.1038/s41596-022-00756-w
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  25. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c10506