Misión rehidratar: agua para un planeta sediento

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This activity is part of Science Friday’s Down to Earth program.

¿Has lavado alguna vez un racimo de uvas o una lechuga en un colador? Abres el grifo, dejas que el agua caiga sobre la fruta o los vegetales y miras como el agua sale a través de los huequitos en el fondo, llevándose cualquier suciedad o insectos que estuvieran adheridos a la comida al salir. Es una buena manera de asegurarte de que la comida esté limpia y saludable.

Ahora imagina que hay una cantidad limitada de agua para tu uso diario. ¿Hay alguna manera de recuperar esa agua de enjuague otra vez?  ¿Cómo puedes capturar el agua antes de que se vaya por el drenaje? ¿Cómo limpiarías esa agua de tal forma que sea segura para beber o lavar?

Ese es el problema que los ingenieros enfrentan en la Estación Espacial Internacional (ISS). Mientras orbita el planeta, la ISS debe proveer todo el aire, comida y agua que su tripulación necesita por días, semanas y meses.  Pero la estación sólo tiene el tamaño de una casa de seis habitaciones con siete personas en promedio viviendo ahí así que la eficiencia es clave. En vez de usar cosas de primera necesidad tal como el agua una sola vez, la estación recicla el agua una y otra vez.

En la ISS, el agua se comporta de manera distinta a cómo lo esperarías.  La estación experimenta microgravedad donde los objetos casi que carecen de peso.  La poca gravedad hace que el agua tienda a formar gotas completamente redondas—y esas gotas no caen automáticamente como lo hacen las gotas de agua cuando abres el grifo en la Tierra.  Si un astronauta no es cuidadoso, ¡las pequeñas esferas de agua pueden escapar y flotar en la estación! ¿Cómo hace el sistema de recuperación de agua de la estación para compensar por la microgravedad? Pista: Mira el video tour de abajo donde el astronauta Chris Hatfield de la Agencia Espacial Canadiense muestra el sistema de agua. ¡Mira si te puedes pillar la solución de la ISS al problema!

En la ISS, el sistema de limpieza de agua usa la fuerza centrípeta obtenida al rotar el agua para jalarla.  En la Tierra, algunas veces se usan filtros de agua rotatorios para crear un efecto de remolino que jala la suciedad y desechos hacia abajo, y empuja el agua que queda en otra dirección, separándolos el uno del otro.

¿Quieres probar el efecto filtrante de la fuerza centrípeta tú mismo?  Pon hojas de lechuga húmedas o cualquier otro material vegetal húmedo en un escurridor de ensalada y mira cómo se separa el agua del material agrícola. O si no tienes un escurridor de ensalada a la mano, pon unas hojas húmedas en una bolsa de plástico, ciérrala y dale unas cuantas vueltas.  Cuando la abras, las hojas estarán casi secas, y el agua se debe haber acumulado en el fondo de la bolsa. ¿Cuánta agua acumulaste?

Girar hojas de lechuga te da una pequeña idea del trabajo que los ingenieros hacen para hacer la vida de los astronautas en la estación espacial lo más segura y confortable posible.

El ambiente cerrado de la estación espacial no es el único lugar donde el agua potable escasea.  Aquí en la Tierra, mucha gente vive en lugares donde el cambio climático hace más difícil encontrar agua que sea segura para beber, cocinar y cultivar.

Este creciente estrés hídrico (la diferencia entre la cantidad de agua potable disponible y el número de personas que la necesitan) puede afectar la salud de la comunidad, pero es especialmente dañina para los niños. Es por esto que en muchos lugares se está adoptando la misma solución usada en la estación espacial—filtros de agua que pueden remover partículas, químicos y microbios peligrosos y hacen que el agua contaminada sea segura para tomar.

Ahora es el momento para que pienses como un ingeniero.  En esta actividad construirás un filtro de agua con artículos de uso común en la casa. Este tipo se llama filtro de medios porque utiliza uno o más tipos de materiales filtrantes. (La palabra “medio” se usa aquí para significar “materiales”.) Vas a evaluar cada tipo de medio en forma separada y anotarás qué tan bien funciona cada uno. Después, usarás los resultados de tus observaciones para diseñar una versión más eficiente.

Materiales:

• La hoja de datos de la misión rehidratar y un lápiz
• Agua sucia (usa agua de un charco o agrega “contaminantes” al agua tales como tierra, granos de café o una bebida colorante en polvo.)
• Agua del grifo
• Una jarra grande
•  Una cuchara desechable
•  Varios vasos desechables transparentes o jarras recicladas
• Tasas medidoras
• Un marcador permanente
•  Tijeras
•  Una botella de agua desechable por filtro; quita las tapas
•  Un pedazo de tela pequeño para cubrir la boca, tales como gasa de algodón (como la que se usa en primeros auxilios) filtro para quesos (como el usado en la cocina) o cualquier pedazo de tela
• Algo para sujetar la cubierta del filtro, como una banda elástica, corbata de torsión o hilo
•  Varios tipos de medios filtrantes, tales como:
  – arena o gravill
  – granos secos como avena, frijoles, lentejas, arroz, maíz, ramen o pasta
  – fibras como bolas o almohadillas de algodón
  – papel toalla o filtros de café
  – carbón activado (que se vende con vitaminas)
• Un reloj o app cronómetro
• Opcional: hoja de papel o tarjeta de índice

PRECAUCIÓN: ¡No bebas el agua usada en este experimento! Desecha todo el equipo de laboratorio cuando termines.

Prepara tu agua sucia

Mezcla un cántaro o jarra de agua sucia, lo suficiente para efectuar varias pruebas (1 o 2 litros).

1. Agrega de 2 a 3 cucharadas de tu contaminante elegido al agua limpia. Revuelve o agita la mezcla. Sigue agregando el contaminante hasta que el agua se vea turbia. Anota qué y cuántos contaminantes usaste en la hoja de datos. Revuelve o agita tu agua sucia antes de cada prueba.
2. Echa un poco de agua sucia en un vaso desechable, etiquetala como “agua sucia,” y déjala para usarla después. La usarás para comparar cómo se ve el agua filtrada después de pasar por los diferentes medios.
3. Para preparar una taza medidora desechable para tu agua sucia, escribe medidas en un vaso desechable con un marcador permanente.
   a. Agrega 60 mL (¼ taza) de agua limpia al vaso desechable y marca el nivel.
   b. Repite con 120 y 180 ml (½ y ¾ taza) de agua.
   c. Etiqueta el vaso como “taza medidora” y déjalo para usarlo después.
   NOTA: No uses una taza medidora de tu cocina para medir el agua sucia.  Este experimento puede contaminarla.
4. Cuando estés listo para filtrar el agua sucia, echa un poco en la taza medidora desechable.

Crea una guía de comparación de colores

Crea una guía de comparación de colores para evaluar la transparencia del agua después de filtrarlo por cada material. Usa una muestra de agua potable como la referencia más clara y el agua sucia que estás evaluando como la referencia más oscura. Colorea cada punto de referencia en la escala usando un software gráfico, fotos del agua que se usará como prueba o lápices de colores. Decide entonces cómo designar cada color (por ejemplo, usando números o descripciones).  En la figura abajo hay algunos ejemplos de guías de comparación de color que muestran posibles designaciones y dibujos para indicar qué tan clara u oscura se ve el agua.

¿Tienes deficiencias visuales? Considera usar una app como HydroColor.

Arma tu filtro

Reúne todas tus botellas desechables, tela, banda elástica y tijeras

1. Corta la botella de agua por la mitad. Usarás la mitad de arriba como un embudo. La mitad de abajo la usarás para recoger el agua filtrada
2. Cubre la boca de la botella con gasa u otro tipo de tela. Sujétala bien con la banda elástica u otro tipo de cierre.
3. Gira el embudo que hiciste con el pico hacia abajo y colócalo en la mitad inferior de la botella. ¡Tu filtro está listo para usar!

 Prueba tu filtro

Ya puedes comenzar a probar tu filtro y registrar tus datos

1. Escoge un tipo de medio filtrante (arena, gravilla, algodón, etc.)  y ponlo dentro del embudo. La cantidad depende del tamaño de tu embudo. Deja libre por lo menos 3 cm (1 pulgada) de espacio encima, de tal forma que tengas lugar para echar el agua sucia sin que el embudo se rebose.
2. Echa agua sucia en el embudo usando la taza de medida desechable que hiciste anteriormente. La cantidad que eches depende de la capacidad de la parte de abajo de tu embudo (mantén el nivel del agua filtrada por debajo de la boca del embudo) y de cuánto puedes verter en la parte de arriba del embudo sin que se rebose.  Si el agua escurre muy lentamente, agrega solo un poquito a la vez. Apunta la cantidad de agua sucia que usaste en tu hoja de datos.  Devuelve el agua sucia que queda en tu taza medidora al cántaro o bótala.
3. Una vez hayas vertido el agua en el filtro, usa el reloj o app cronómetro para determinar cuánto tiempo toma para que el agua comience a salir del filtro y cuánto toma en total para que la mayor parte del agua salga. (Ten en cuenta que algunos filtros pueden demorar menos de un minuto mientras otros pueden tardar varias horas.)  En tu hoja de datos, apunta el tiempo que toma para que el agua pase por el filtro.
4.  ¿Qué observaciones puedes hacer sobre cómo el agua sucia se mueve por el material filtrante? Apunta tus observaciones en la hoja de datos.
5. Una vez el agua haya parado de escurrir a través del filtro, vierte el agua filtrada que se ha recolectado en el fondo del filtro a la tasa de medida desechable. Apunta la cantidad de agua que pasó por el filtro.
6.  Vierte el agua filtrada en un vaso limpio y etiquetalo con el nombre del medio filtrante que usaste.  Compárala (a ojo o con la app HydroColor) con el agua limpia original y con el agua sucia usando la guía de comparación de color que hiciste. Anota el nivel de claridad en tu hoja de datos.
7. Repite el proceso usando un tipo diferente de material filtrante. (Si vas a reutilizar la botella, bota el material filtrante anterior y lava la botella con agua limpia antes de agregar el nuevo material filtrante.)

Una vez hayas terminado de evaluar todos los medios que quieres probar, es hora de comparar tus muestras y determinar el nivel de efectividad de cada filtro.

Mientras revisas los resultados de tu investigación, pregúntate cómo los diferentes tipos de material filtrante que observaste actúan para remover las impurezas del agua.  ¿Qué características podrían haber hecho que un material filtrante funcione mejor o peor que los otros? Por ejemplo:

• ¿Consideras que algunos materiales filtrantes funcionan mejor con ciertos tipos de contaminantes que con otros? ¿Por qué sí o por qué no?
• ¿Qué tipo de materiales filtraron el agua más rápido? ¿Qué tipo lo hicieron más lentamente?
• ¿Qué tipo de material filtrante produjo el agua más clara?

Los filtros de agua comerciales a menudo contienen varias capas de material filtrante. Ahora que has probado varios materiales, piensa en qué forma los podrías combinar para que funcionen mejor:

• ¿Cómo podrían las diferentes características de los materiales trabajar en conjunto para remover más contaminantes del agua?
•  ¿Crees que el orden de las capas filtrantes afectaría los resultados? ¿Por qué sí o por qué no?
• ¿Puedes ajustar las capas para que el filtro actúe más rápidamente? Si es así, ¿cómo?

Si te queda tiempo, prueba tus ideas filtrando agua que ya haya pasado por un filtro usando un material filtrante diferente para ver si sale más limpia. O crea un nuevo filtro con capas de diferentes materiales y pruébalo con agua sucia.

¿Qué se puede hacer para remediar el problema del agua de consumo insalubre? De acuerdo con la ONU, el suministro de agua y el cambio climático están íntimamente relacionados en varias formas:

• Las temperaturas más altas dan como resultado que una menor cantidad de agua dulce se almacena en forma de nieve y hielo.
• El incremento de la nieve derretida lleva al aumento del nivel del mar, lo que hace que agua salada de mar fluya a contracorriente hacia los ríos y agua subterránea que la gente usa como fuente de agua potable.
• Mientras tanto, el calor y la carencia de lluvia hacen que las fuentes de agua dulce se sequen. Cuando los niveles de agua bajan, el agua que queda se torna más sucia y salada.
• Al mismo tiempo, las inundaciones causadas por condiciones climáticas extremas tales como huracanes pueden arrastrar aguas residuales y químicos nocivos hacia las fuentes de agua dulce.

Por tal razón, los filtros de agua son una herramienta importante tanto en la Tierra como en la ISS. Cuando Flint, Michigan, trató de ahorrar dinero cambiando su fuente de agua del lago Hurón al río Flint, los residentes pronto notaron agua sucia y contaminada saliendo de sus grifos. Entre los químicos que se encontraron en el agua de Flint estaba el plomo, un metal pesado que puede afectar el desarrollo cerebral de los niños.

La activista Mari Copeny, también conocida como Little Miss Flint, tenía solo 8 años en ese entonces, pero comenzó a reunir donaciones de botellas de agua para entregar a los residentes de Flint. Ahora ya en su adolescencia, se ha asociado con la empresa de filtros Hydroviv, para proporcionar filtros de agua a comunidades de bajos ingresos en todo el país.

Los expertos predicen que el cambio climático causará más emergencias hídricas en áreas que alguna vez se consideraron resistentes al clima extremo.  Ahora que entiendes cómo funcionan los filtros de agua, piensa en ocasiones o lugares en los que los filtros de agua pueden ayudar a la gente a lidiar con problemas de calidad del agua.  Usa lo que has aprendido sobre filtros de agua para esbozar un diseño o crear un modelo de un sistema de filtración de agua que pueda ayudar a las personas que enfrentan problemas de agua en tu comunidad. Comienza con la herramienta de la Agencia de Protección Ambiental “How’s My Waterway” (“Cómo están mis vías de agua”) o busca tu Reporte de Confianza del Consumidor Local.

Hay muchas maneras divertidas para continuar explorando la filtración de agua y la fuerza centrípeta. ¡Echa un vistazo a estas divertidas ideas!

• Explora más sobre cómo se comporta el agua en la ISS, donde las propiedades del agua, tales como la tensión superficial, son muy diferentes que en la Tierra. ¡Incluso los materiales viscosos como las babas se comportan de manera muy diferente en el espacio!
• Las tecnologías de soporte vital diseñadas para los astronautas en la ISS contribuyen al desarrollo sostenible en Europa y África. ¡Aprende más sobre la conexión entre la investigación espacial y el reciclaje de agua!
• Principios similares de filtración de agua actúan de forma natural para filtrar el agua subterránea en los acuíferos. Construye tu propio modelo de agua subterránea para investigar cómo se mueven los contaminantes a través del acuífero mediante la realización de tus propios ensayos.

Estándares NGSS:

• MS-ESS3-1: La Tierra y la actividad humana – Construir una explicación científica en función de la evidencia de cómo las distribuciones desiguales de los recursos minerales, energéticos y de aguas subterráneas de la Tierra son el resultado de procesos anteriores y actuales de las geociencias.
• MS-ESS3-3: La Tierra y la actividad humana – Aplica principios científicos para diseñar un método de control y minimización de un impacto humano sobre el medio ambiente.
• MS-PS2-4: Movimiento y estabilidad: fuerzas e interacciones — Construye y presenta argumentos utilizando evidencias para apoyar la afirmación de que las interacciones gravitatorias son atractivas y dependen de las masas de los objetos que interactúan.
• MS-ETS1-1: Diseño de ingeniería — Define los criterios y las limitaciones de un problema de diseño con la precisión suficiente para asegurar una solución satisfactoria, teniendo en cuenta los principios científicos pertinentes y las posibles repercusiones sobre las personas y el entorno natural que puedan limitar las posibles soluciones.
• MS-ETS1-2: Diseño de ingeniería — Evalúa soluciones de diseño competidoras utilizando un proceso sistemático para determinar en qué medida cumplen los criterios y restricciones del problema.
• MS-ETS1-3: Diseño de ingeniería — Analizar los datos de las pruebas para determinar similitudes y diferencias entre varias soluciones de diseño para identificar las mejores características de cada una que se pueden combinar en una nueva solución para cumplir mejor los criterios de éxito.
• MS-ETS1-4: Diseño de ingeniería — Desarrollar un modelo para generar datos para la prueba iterativa y la modificación de un objeto, herramienta o proceso propuesto de manera que se pueda lograr un diseño óptimo.

Agrupaciones de formación profesional y técnica

• Agricultura, Alimentos y Recursos Naturales: Este grupo de carreras se centra en la producción, procesamiento, comercialización, distribución, financiamiento y desarrollo de productos y recursos agrícolas, incluidos alimentos, fibras, productos de madera, recursos naturales, horticultura y otros productos o recursos vegetales y animales.
• Arquitectura y Construcción: Este grupo de carreras se centra en carreras en diseño, planificación, gestión, construcción y mantenimiento de ambientes ya construidos.
• Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas: Este grupo de carreras se centra en la planificación, gestión y prestación de servicios de investigación científica, así como de servicios profesionales y técnicos (por ejemplo, ciencias físicas, ciencias sociales, ingeniería), incluidos servicios de laboratorio y pruebas, y servicios de investigación y desarrollo.

Objetivos de desarrollo sostenible de la ONU

• Agua limpia y saneamiento: El objetivo 6 busca garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todos.

Credits:
Lección de Kathy Ceceri
Traducción al español por Laura González
Edición de redacción por Erica Williams y Robin Kazmier
Producción digital by Sandy Roberts

Agradecimientos especiales al Laboratorio Nacional de la EEI y al Centro para el Avance de la Ciencia en el Espacio™ (CASIS™) por financiar este recurso. En colaboración con la NASA, el Laboratorio Nacional de la EEI busca aprovechar la estación espacial para inspirar a la próxima generación.

EsEste recurso es parte del programa Down To Earth: Space Science For Community Change de Science Friday.