11DISEÑA PROYECTOS 10

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.

FOG WATER

Agua de niebla

Fotografía Guy Wenborne, Pan de Azúcar.

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.

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.

13

Un campo interdisciplinario: lugares para una nueva mirada

La creación de lugares para una nueva mirada implica tomar una cierta distancia de nuestro quehacer habitual, de nues-tros pensamientos, proyectos, referentes y procesos. Esta distancia permite buscar lugares que nos ofrecen nuevas perspec-tivas y nuevos potenciales en aquello que teníamos demasiado cerca para mirarlo libre y desprejuiciadamente. Tomar dis-tancia implica el desplazamiento hacia un campo expandido interdisciplinario, con lo cual se genera una nueva geografía del conocimiento como producto de con-fluencias e interacciones entre conteni-dos y experiencias de muy diverso origen.

Esta operación estratégica nos posibili-ta el explorar y experimentar en las zonas híbridas que se generan entre las estruc-turas disciplinarias ya consolidadas. Gra-cias a la condición dinámica de la analogía se desencadenan procesos de transferen-cia y desplazamiento conceptual, entre-cruzamientos y confrontaciones de ex-periencias diversas que abren e iluminan nuevos espacios para la reflexión teórica y el ejercicio proyectual.

Estos procesos tensionan nuestra cu-riosidad, cuestionan nuestras certezas y estimulan nuestros sueños. Así, se van diluyendo las fronteras de nuestro en-claustramiento disciplinario y van apa-reciendo nuevas áreas de insospechada fertilidad para la innovación.

No es fácil modificar los hábitos de nuestro propio quehacer y, por lo tan-to, 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 desa-rrollo 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 ex-traordinariamente fértil si se considera

que este enfoque no está sustentado en una sumatoria de los conocimientos pro-pios de cada disciplina, sino en una expe-riencia de interacciones que nos permite modificar y enriquecer nuestros conoci-mientos específicos, es decir, en una com-prensión 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 realiza-do 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 Inter-disciplina UC, CORFO-Innova y MIT In-ternational Science and Technology Ini-tiatives (MISTI), con la participación de las disciplinas de la geografía, el diseño, la ingeniería y la agronomía.

Proyecto “estrategias de diseño para la optimización de colectores de agua de niebla”

1. AntecedentesEl 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 agri-cultura. La disminución de las precipi-taciones 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 recar-ga de acuíferos y la colección de aguas lluvia y de niebla.

La confluencia de varios factores geo-gráficos en diversas zonas costeras del Desierto de Atacama crea una condición muy favorable para la captación de agua de niebla, útil para abastecer a asenta-mientos 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 (atrapanie-blas) son instrumentos utilizados desde hace tres décadas en Chile. Sin embargo, se han desarrollado desde los conoci-mientos y experiencia de la geografía a través de un proceso de “ensayo y error”,

1 Al respecto, ver www.fogquest.org

Vida en el desierto.

Vida en el desierto.

Nube sobre cerros.

Desierto de Atacama.

Bosque de niebla, Fray Jorge.PROYECTOS

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.

Equipo de investigación del Centro del Desierto de Atacama:

Pilar Cereceda: Geógrafa de la Pontificia UniversidadCatólica de Chile _ Académicadel Instituto de Geografía de la Pontificia Universidad Católica de Chile

Robert Holmes: Arquitecto de la Pontificia Universidad Católica de Chile _ Académicode 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

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 offreshwater”. MIT, CORFO, PUC;La Serena, Chile, enero 2013.

International Conference onFog, Fog Collection and Dew.Yokohama, Japón, mayo 2013.

15DISEÑA PROYECTOS 14

Embolsamiento.

Colapso estructural.

Estación Experimental Alto Patache. Estación Experimental Majada Blanca.

pensable reconocer la complejidad y la diversidad del conocimiento y las expe-riencias concurrentes. Para asumir este desafío se ha desarrollado un proceso de interacción permanente entre las espe-cificidades disciplinarias, lo que permi-tirá lograr un desarrollo armónico e in-tegral de la propuesta final.

2.2. Aportes de las disciplinasPara aumentar la eficiencia de un CAN

y lograr un costo competitivo de su pro-ducto final (litro de agua), hay que estu-diar las características del recurso niebla, el diseño del sistema con una estructura resistente, la configuración espacial y su relación con los fenómenos aero-hidro-dinámicos, 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 aborda-dos desde el conocimiento y experiencias

sin mayores variaciones en su tamaño, diseño ni materiales, siguiendo una tra-dición 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 per-mita una sustentabilidad en el tiempo y que Chile siga siendo pionero en este tema tan crucial.

La información registrada en las esta-ciones de monitoreo instaladas en diver-sos lugares del territorio desértico costero (Alto Patache, Peñablanca, El Tofo, Totora-lillo, 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 replicabi-lidad de este “exitoso” sistema de dota-ción de agua no tradicional ha sido que la construcción de los Colectores de Agua de Niebla (CAN), o atrapanieblas, no se

ha enfrentado desde una perspectiva in-terdisciplinaria. Tampoco se ha abordado el proceso con tecnologías avanzadas. La experiencia actual a nivel nacional e in-ternacional se ha limitado a instalaciones de pequeños formatos, denominadas Stan-dard Fog Collectors (SFCs), o instalaciones mayores denominadas Large Fog Collectors (LFCs), ambas con tecnologías poco desa-rrolladas, con debilidades en su diseño y sin considerar instalaciones a mayor esca-la y la replicabilidad para uso masivo.

2. El proyecto2.1. Objetivos

El proyecto está enfocado en el diseño de Colectores de Agua de Niebla (CAN) con el objetivo de optimizar su funcio-nalidad, factibilidad productiva, locali-zación, instalación, mantención y costos correspondientes para formularlo como un producto genérico universal.

Para lograr estos objetivos es indis-

Ruptura concentración de tensiones.

Estación Experimental Peñablanca.

Ruptura extensa.

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75 210 210 210 210 210 210

1010107575101075 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

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300

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45º

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45º

45º

45º

45º

Nuestra propuesta consiste en comprender el comportamiento del viento y plantear un sistema responsivo

según los eventos dinámicos que se van sucediendo.

Tenso-estructura CAN - unidad modular

Dirección del viento

Superficie de recolección

Fusible de vértice abatible

Fusible de vértice abatibleMalla Raschell

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Membrana abatible

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120 10 120

2516

0

Unidad modular embudo de recolección

de diversas disciplinas, cuyos aportes son concurrentes para el desarrollo de un proyecto de innovación.

Los investigadores del área de la geo-grafía aportan conocimiento y experien-cia sobre las condicionantes geográficas y climáticas relacionadas con la captación del agua de niebla. Los temas específicos se refieren al comportamiento de la nie-bla, 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

experiencia en mecánica de fluidos y flu-jos 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 materia-les por medio de ensayos, en análisis de estructuras especiales mediante el de-sarrollo 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 in-dustrial aporta su conocimiento y expe-riencia en el desarrollo de las estrategias

de diseño para la integración de los facto-res funcionales y operativos, en la confi-guración espacial para la optimización de la captación y en el diseño de sistemas de tenso-estructura como estrategia de op-timización de los recursos materiales, la producción, el montaje, la mantención, la reutilización y el reciclaje.

2.3. Trabajo experimental 2.3.1. Trabajo experimental en Estación de Peñablanca

En la Estación Experimental de Peña-blanca se han instalado diversos colecto-res experimentales (Standard Fog Collec-tor SFC y Large Fog Collector LFC, según

Comportamiento del viento sobre superficies porosas

Coeficiente de fuerza = 1.5Densidad del aire = 1.15 kg/m3 (94 kPa, 11ºC - 600 m altitud)

F = 0,86sv2A

CAN malla angulada - velocidad del viento (GDF - COMSOL)

Malla frontal

Efici

enci

a (%

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Gotas de agua: eficiencia en impacto en CAN

10090

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Plano

Embudo - cerrado

Embudo - abierto

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Comportamiento dinámico del viento: majada blanca

Módulo con malla angulada.

Ángulo (a) A/Ao Eficiencia

180 1,00 25,5%

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120 1,15 29,2%

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40 2,92 49,2%

Malla diagonal - abierta Malla diagonal - cerrada

160 25

Barra de contrapeso

Dire

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Superficie de recolección

Fusible de vértice abatible

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120

Análisis Aero-Hidrodinámico. Módulo CFD de Comsol Multiphysics. Emilio de la Jara Hartwig.

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4”

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anclaje anclaje anclajeanclaje anclajeELEVACIÓN 1E 1:50 ELEVACIÓN 2

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CORTE 1E 1:50

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cable horizontal + diagonal

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malla horizontal

malla horizontal

malla horizontal

malla horizontal

malla horizontal

Malla vertical

Malla vertical

19DISEÑA PROYECTOS 18

Bibliografía

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Skelton, R., & Oliveira, M. (2009). Tensegrity Systems. Dordrecht: Springer.

Multiplicación superficie – fractales

nomenclatura universal) para evaluar su rendimiento de colección de agua, sus cualidades responsivas a las solici-taciones 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 ex-poner las cualidades y las debilidades del sistema tradicional de los CAN y, a partir de ello, surgen las propuestas de innova-ción para la optimización del sistema. Se ha podido medir el rendimiento de capta-ción de agua obteniendo un promedio de seis litros por metro cuadrado de superfi-cie por día. También se ha podido obser-var el comportamiento de las instalacio-nes 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 super-ficies; d) colapso de la estructura.

2.3.2. Trabajo experimental en laboratorioSe ha desarrollado un trabajo de aná-

lisis aero-hidrodinámico del impacto de las gotas de agua en la malla de colección mediante simulación digital. Esto se complementará con un trabajo experi-mental en túnel de viento.

También se ha construido un prototi-po para evaluar el diseño del sistema, sus componentes y procesos de instalación.

2.3.3. Trabajo experimental complementarioEl 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 mo-nitoreo a distancia diseñado por el profe-sor Richard Le Boeuf y la evaluación en terreno de un CAN de grandes dimensio-nes (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 eficien-cia 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 presenta-ron resultados en una correlación de op-timización de colección de agua para un mismo frente de exposición.

Esta estrategia para aumentar la super-ficie 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 presiónUno de los grandes problemas que han

presentado las instalaciones tradicionales de CAN ha sido la insistencia en la estrate-gia de crear soluciones basadas en la opo-sición al viento. En los estudios de casos tanto a nivel nacional como internacio-nal 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, consis-te 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 vérti-ce 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 preci-samente 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 estabili-dad estructural y considerando los fuer-tes vientos como el principal desafío, la solución más eficiente para el diseño de una estructura es un sistema de tenso-es-tructura. Además de esto hay otras impli-cancias, como la facilidad de transporte, mantención y reemplazo de componen-tes, así como las operaciones sencillas de la instalación y un bajo costo.

Este sistema permite reducir al máxi-mo el volumen del material y peso involu-crado, 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 cons-tituyen el módulo básico de sistemas aditivos integrados al soporte de tenso-estructura. Esta estrategia permite una mejor adaptación de las instalaciones a las condiciones particulares de la topo-grafía de cada lugar, facilita el proceso de instalación, y posibilita reparar o reem-plazar componentes y, asimismo, la re-plicabilidad del CAN mediante procesos productivos etandarizados.

DNAEn el proceso de escalamiento del CAN es necesario considerar su impacto en el paisaje y en la naturaleza del lugar.

ConclusionesLas 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

nuevo paisaje en el cual se debe lograr una relación armónica entre tecnología y naturaleza.