Cientistas de Stanford transformam resíduos humanos em fonte de energia e fertilizantes

Um sistema desenvolvido recentemente por cientistas transforma dejetos humanos (urina) em uma ferramenta poderosa para geração de energia e agricultura lucrativa e sustentável em regiões com recursos limitados.

O protótipo, descrito em um estudo liderado por pesquisadores da Universidade de Stanford e publicado em 19 de agosto na revista Nature Water, recupera um fertilizante valioso da urina usando energia solar, que também pode gerar energia para outros usos. No processo, o sistema fornece saneamento essencial, tornando as águas residuais mais seguras para descarte ou reuso para irrigação.

Protótipo revolucionário que captura o nitrogênio da urina

A captura distribuída de nitrogênio da urina, utilizando energia solar, ajuda a gerenciar o ciclo do nitrogênio e aumenta o acesso a fertilizantes, saneamento e eletricidade.

Cientistas testaram um sistema de extração eletroquímica fotovoltaica-térmica (ECS), conhecido como solar-ECS, que recupera fertilizante de sulfato de amônio da urina, independentemente da rede elétrica.

O nitrogênio é um componente essencial dos fertilizantes comerciais. Tradicionalmente, é produzido por meio de um processo intensivo em carbono e distribuído globalmente a partir de grandes instalações industriais, muitas das quais localizadas em países ricos, resultando em preços mais altos em países de baixa e média renda.

Para se ter uma ideia da importância deste protótipo, o nitrogênio presente na urina humana equivale a aproximadamente 14% da demanda anual de fertilizantes no mundo.

Este protótipo, por outro lado, separa a amônia (composta de nitrogênio e hidrogênio) da urina usando uma série de câmaras separadas por membranas. Ele usa eletricidade gerada pelo sol para impulsionar os íons e, por fim, reter a amônia na forma de sulfato de amônio, um fertilizante comum.

Aquecer o sistema com o calor residual coletado da parte traseira dos painéis solares fotovoltaicos por meio de uma placa fria de tubo de cobre ajuda a acelerar o processo, estimulando a produção de gás amônia, a etapa final da separação. Os painéis solares também produzem mais eletricidade em temperaturas mais baixas, portanto, coletar o calor residual ajuda a mantê-los resfriados e eficientes.

Um sistema, vários benefícios

“Cada pessoa produz nitrogênio suficiente na urina para fertilizar um jardim, mas grande parte do mundo depende de fertilizantes importados caros”, disse Orisa Coombs, autora principal do estudo e doutoranda em engenharia mecânica. “Você não precisa de uma fábrica de produtos químicos gigante nem de uma tomada elétrica. Com luz solar suficiente, você pode produzir fertilizante exatamente onde ele é necessário e até mesmo armazenar ou vender o excesso de eletricidade”, complementou.

Ganho econômico

Os pesquisadores também desenvolveram um modelo detalhado para prever como mudanças na luz solar, temperatura e configuração elétrica afetam o desempenho e a economia do sistema.

O modelo mostrou que em regiões como Uganda, onde os fertilizantes são caros e a infraestrutura energética é limitada, o sistema poderia gerar até US$ 4,13 por quilo de nitrogênio recuperado, mais que o dobro dos ganhos potenciais nos EUA.

Aproveitamento do calor residual

O estudo mostra que a integração do calor gerado pelo painel solar para aquecer o líquido utilizado no processo eletroquímico e o gerenciamento da corrente fornecida ao sistema eletroquímico aumentaram a geração de energia em quase 60% e melhoraram a eficiência da recuperação de amônia em mais de 20%, em comparação com protótipos anteriores que não integravam essas funções.

O uso desse calor residual é particularmente promissor devido à sua grande quantidade — cerca de 80% da energia solar que chega aos painéis solares é perdida, o que poderia causar superaquecimento do sistema e redução da eficiência.

Vantagens em saneamento

Além do potencial para a extração de uma commodity valiosa e a geração de energia, essa abordagem promete um saneamento eficaz. Segundo a ONU, mais de 80% das águas residuais não são tratadas, grande parte delas em países de baixa e média renda. O nitrogênio presente nas águas residuais pode contaminar águas subterrâneas e fontes de água potável, além de causar proliferação de algas que esgotam o oxigênio e matam plantas e animais aquáticos.

As lições aprendidas sobre a integração do calor residual dos painéis solares também podem ser aplicadas a instalações industriais, como estações de tratamento de águas residuais, capazes de capturar o calor produzido durante a geração de eletricidade para alimentar uma variedade de aplicações.

Ao promover a recuperação de produtos químicos de alta pureza a partir de águas residuais subutilizadas, este trabalho apoia os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) das Nações Unidas de fome zero, água limpa e saneamento, energia limpa e produção responsável.

A capacidade de remover o nitrogênio da urina por meio de um sistema autoalimentado pode ser um divisor de águas em muitos países onde apenas uma pequena porcentagem da população está conectada a sistemas de esgoto centralizados.

“Muitas vezes pensamos em água, alimentos e energia como sistemas completamente separados, mas este é um daqueles raros casos em que a inovação em engenharia pode ajudar a resolver vários problemas ao mesmo tempo”, disse Coombs. “É limpo, escalável e literalmente alimentado pelo sol”, finalizou.

Referências da notícia

Prototyping and modelling a photovoltaic–thermal electrochemical stripping system for distributed urine nitrogen recovery. 19 de agosto, 2025. Coombs, et al.

Innovative system turns human waste into sustainable fertilizer. 19 de agosto, 2025. Rob Jordan.