En todo el norte de Estados Unidos y Canadá, los propietarios están revisando sus quitanieves, almacenando leña y drenando tuberías al aire libre en preparación para el clima frío. Sin embargo, para los municipios, la red de suministro de agua a prueba de invierno no es tan fácil: las tuberías recorren largos tramos bajo tierra, y en esta época del año, los diferenciales de suelo y temperatura congelados provocan grietas finas en fugas en toda regla, a menudo con resultados catastróficos.
De vez en cuando se ven artículos de noticias sobre sumideros y cortes principales de agua, pero el problema es en realidad mucho más generalizado, insidioso e impactante que el extraño abismo en una calle de la ciudad.
La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles estima en su Informe de Infraestructura 2017 que 240, 000 interrupciones principales de agua ocurren anualmente en los Estados Unidos, con 2 billones de galones de agua potable tratada escapando. Esto significa que se pierde entre el 14 y el 18 por ciento del agua tratada cada día, suficiente para atender a 15 millones de hogares. Y está empeorando; Un estudio de 2018 de la Universidad Estatal de Utah encontró que las roturas de tuberías en los EE. UU. y Canadá han aumentado un 27 por ciento en los últimos seis años. Además, las facturas de agua pagadas por los clientes no son suficientes para financiar la infraestructura del agua, y la American Water Works Association estima un precio de $ 1 billón para arreglarlo. En muchos países en desarrollo, el problema es peor; La estimación conservadora del Banco Mundial sugiere que el 35 por ciento del agua puesta en los sistemas de distribución puede perderse en los 44 países que examinaron. Se pierden alrededor de $ 14 mil millones por año en todo el mundo.
Contraintuitivamente, las fugas pequeñas (menos de 10 galones por minuto) ni siquiera se llaman fugas, y no cuentan para el número de 240, 000 de la ASCE. Estas grietas más pequeñas y difíciles de encontrar se denominan "fugas potenciales"; para ser llamadas una fuga, la grieta debe liberar suficiente agua para que brille visiblemente del suelo. Pero las posibles fugas se convierten en fugas, y las fugas se convierten en rupturas, y millones de galones (y dólares) se filtran o vierten en el suelo.
¿Qué es una ciudad para hacer?
Las mejores prácticas según la American Water Works Association comienzan con una auditoría del agua, calculando la cantidad de agua que viajaría a través de un sistema idealmente eficiente, y comparándola con la cantidad que realmente utilizan los consumidores, conocida como "agua de ingresos".
"La eficiencia del agua es un segmento bastante bien desarrollado de la industria, en el que está tratando de controlar el rendimiento de su sistema con respecto al agua de ingresos y no ingresos", dice Dennis Mutti, presidente de C3 Water, que trabaja con municipios en el suroeste de Ontario para planificar y optimizar los sistemas de agua, incluidas las aguas potables y residuales.
El resultado de esa auditoría le da a las ciudades una idea de cuánta agua se está perdiendo. Para mitigar eso, a menudo contratan contratistas para buscar fugas. Convencionalmente, la detección de fugas implica esperar esa evidencia visible, o verificar sistemáticamente sistemas completos, abrir hidrantes o desenterrar tuberías para colocar sensores auditivos en ellos con la esperanza de escuchar una fuga.
Cientos de millas de distancia, dos inventores diferentes se están concentrando en fugas cada vez más pequeñas de dos maneras muy diferentes. Uno está escuchando, cuidadosamente y con la ayuda de la inteligencia artificial, los cambios sutiles en el sonido del agua corriente; el otro está usando un robot suave para sentir cuidadosamente el suave tirón producido por el diferencial de presión de una pequeña fuga. Cada uno se ha asociado con diferentes municipios, y cada uno tiene la intención de salvar a una parte de esos millones de galones de escapar al suelo.
Cuando You Wu estaba creciendo en Shanghai, una vez a la semana los jueves, su vecindario cortaba el agua a sus ciudadanos, como una forma de conservar y prevenir la escasez de agua. "Cerraron el agua a mi comunidad, lo que afecta quizás a un cuarto de millón de personas a medio millón de personas", dice Wu, quien se mudó a los Estados Unidos en 2008 y asistió al MIT. “Sentí que éramos grandes ciudadanos, estábamos ayudando a la ciudad a conservar el agua. Cuando llegué al MIT, me di cuenta, espere un segundo, estamos conservando agua, pero al mismo tiempo, del 20 al 30 por ciento del agua limpia se perdió por fugas en el mismo sistema ”.
Comenzó a jugar con los sensores, preguntándose si hay una mejor manera de encontrar fugas antes de que se vuelvan lo suficientemente fuertes como para escuchar, o como hacen algunas ciudades, esperando hasta que las tuberías se rompan por completo. Durante seis años trabajó en el proyecto, fundando una empresa, Watchtower Robotics, después de graduarse. Esa compañía acaba de comenzar programas piloto para desplegar el tercer prototipo de Wu, un robot blando con forma de pájaro de bádminton llamado Lighthouse que se desliza a través de las tuberías con el flujo del agua. A medida que viaja, los sensores flexibles monitorean un conjunto de aletas en la base del robot para detectar los pequeños tirones que suceden a medida que pasa los diferenciales de presión formados por fugas. Eventualmente sale de una boca de incendios aguas abajo, y los operadores usan los datos para calcular dónde podría estar la fuga. Para este proceso, Wu obtuvo 10 patentes y su compañía las licencia del MIT. El dispositivo puede detectar una fuga tan pequeña como 1 galón por minuto.
A medida que Lighthouse viaja, los sensores flexibles monitorean un conjunto de aletas en la base del robot para detectar los pequeños tirones que suceden cuando pasa diferenciales de presión formados por fugas. (Cortesía de los investigadores) En el norte helado, Waterloo, Ontario, un grupo de investigadores está modificando el método más tradicional, escuchando las filtraciones con la ayuda de la inteligencia artificial. Al igual que Watchtower Robotics, el objetivo es identificar fugas cada vez más pequeñas. Estos son demasiado pequeños para detectarlos a través de cambios en la presión y difíciles de distinguir del ruido de fondo, del cual hay mucho cuando bombea un montón de agua a través de las tuberías. De hecho, no es del todo exacto decir que están escuchando en absoluto. Su dispositivo, descrito en un artículo reciente en Urban Water Journal, se sumerge en el agua debajo de una boca de incendios y utiliza sensores hidrofónicos para monitorear las vibraciones en el agua para detectar cualquier cosa que esté fuera de lo común. A través de un proceso llamado análisis del espectro de señal, la IA deconstruye matemáticamente la señal en componentes y los compara con vibraciones sin fugas.
"Si observas la señal cruda o completa, no puedes diferenciar entre [sonidos con fugas y sin fugas] muy fácilmente", dice Roya Cody, estudiante de doctorado de la Universidad de Waterloo, autor del artículo del Urban Water Journal . "Pero si nos fijamos en los subcomponentes, la fuga y los casos ambientales se ven muy diferentes".
Para entrenar esta IA, es decir, darle una línea de base para escenarios con fugas y sin fugas con los que comparar, los investigadores construyeron una red de tuberías de PVC de 6 pulgadas de diámetro en su laboratorio, completa con uniones en T, una boca de incendios y fugas simuladas ubicadas a varias distancias del hidrófono. Lo conectaron directamente al sistema de agua municipal de Waterloo, que funciona a 50 libras por pulgada cuadrada.
El resultado es un sistema que puede implementarse permanentemente, para ejecutarse en segundo plano y ofrecer alertas cuando una tubería se ve comprometida; los hidrófonos en los hidrantes permanecen allí y funcionan constantemente, en lugar de tener que ser colocados y operados para buscar fugas.
Comparando su robot con la IA de Waterloo, Wu señala importantes casos de uso diferentes para las tecnologías. En un sistema urbano, la densidad de las tuberías y la red compleja se presta a dispositivos de escucha, especialmente con la ayuda de inteligencia informática, que puede ayudar a analizar los datos en lugar de depender solo de técnicos capacitados. Pero muévase a los suburbios o áreas rurales, y los largos tramos de tuberías, a veces solo unas pocas casas sobre kilómetros de tuberías, requerirían demasiados hidrófonos para ser prácticos. Su robot brilla aquí; simplemente colóquelo en un hidrante y recójalo nuevamente, millas más abajo.
El Premio James Dyson nombró a Lighthouse su Ganador Nacional de EE. UU. En 2018. (Premios Dyson) Los inventores ahora participan en ensayos y asociaciones para marcar sus productos y prepararlos para el mercado. La compañía de Mutti es un socio industrial de la Universidad de Waterloo y ayudó a ese laboratorio a obtener una subvención estratégica del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá para desarrollar aún más la tecnología y probarla en Guelph, Ontario. Watchtower Robotics, mientras tanto, ha completado recientemente su primer proyecto piloto en Corydon, Indiana, y está planeando dos más en Boston y San Antonio. El éxito para cualquiera de las compañías significará menos interrupciones catastróficas y menos personas desenterrando tuberías.
"Al final del día, cada uno de estos descansos que ocurre requiere que personas reales, a menudo en condiciones muy desagradables, salgan, excaven, realicen una reparación, generalmente en muy poco tiempo", dice Mutti. "Cuantas más cosas podamos hacer para que sea más fácil y darles mejores herramientas para hacerlo, es un gran beneficio no solo para las personas que pagan una factura de agua, sino para la sociedad en general".
