Światło może odparować wodę bez ogrzewania

Nowo zidentyfikowany proces może wyjaśnić różnorodne zjawiska naturalne i umożliwić nowe podejście do odsalania wody.

Parowanie zachodzi wokół nas przez cały czas, od potu chłodzącego nasze ciała po rosę palącą się w porannym słońcu. Jednak naukowe zrozumienie tego wszechobecnego procesu mogło przez cały ten czas pomijać jego część.

W ostatnich latach niektórzy badacze ze zdziwieniem odkryli, że podczas ich eksperymentów woda, zawarta w przypominającej gąbkę substancji zwanej hydrożelem, parowała z większą szybkością, niż można to wytłumaczyć ilością ciepła lub temperaturą energia. , że woda odbierała. Nadwyżka była duża – dwukrotna, a nawet trzykrotna lub więcej niż teoretyczna stawka maksymalna.

Jak wynika z badania MIT, gdy woda i powietrze wchodzą w interakcję, światło może w pewnych warunkach wywołać parowanie bez konieczności stosowania ogrzewania.

Wykrywanie parowania pod wpływem światła

Po przeprowadzeniu serii nowych eksperymentów i symulacji oraz ponownym przeanalizowaniu niektórych wyników uzyskanych przez różne grupy, które twierdziły, że przekroczyły granicę termiczną, zespół badaczy doszedł do wniosku… Instytut Technologii w Massachusetts Doszedł do zaskakującego wyniku: w pewnych warunkach na styku wody z powietrzem światło może bezpośrednio powodować parowanie bez potrzeby stosowania ciepła i faktycznie robi to skuteczniej niż ciepło. W tych eksperymentach woda została uwięziona w hydrożelu, ale naukowcy zwracają uwagę, że zjawisko to może wystąpić również w innych okolicznościach.

Wyniki opublikowano w tym tygodniu w artykule w Z ludźmiprzez doktora habilitowanego MIT Yaodong Tu, profesora inżynierii mechanicznej Gang Chena i czterech innych osób.

W laboratorium badacze obserwowali powierzchnię hydrożelu – matrycy przypominającej JELL-O, składającej się głównie z wody związanej gąbczastą siecią cienkich warstw. Obrazy te przedstawiają przygotowane próbki hydrożelu, gdzie górny rząd pokazuje stan zamrożony (A) lub wysuszony (C, E, G), a dolny rząd pokazuje „stany spęcznione”. Źródło: dzięki uprzejmości badaczy

Zjawisko to może odgrywać rolę w powstawaniu i ewolucji mgły i chmur, dlatego ważne będzie włączenie go do modeli klimatycznych w celu ich ulepszenia. DokładnośćNaukowcy twierdzą. Może odgrywać ważną rolę w wielu procesach przemysłowych, takich jak odsalanie wody za pomocą energii słonecznej, i może stanowić alternatywę dla etapu przekształcania najpierw światła słonecznego w ciepło.

Implikacje dla badań

Nowe wyniki są zaskoczeniem, ponieważ sama woda nie pochłania światła w znaczącym stopniu. Dlatego przez wiele stóp czystej wody widać wyraźnie powierzchnię poniżej. Kiedy więc zespół po raz pierwszy zaczął badać proces parowania słonecznego w celu odsalania, najpierw umieścił cząstki czarnego, pochłaniającego światło materiału w misce z wodą, aby pomóc przekształcić światło słoneczne w ciepło.

Następnie zespół natknął się na pracę innej grupy, która osiągnęła podwójną termiczną graniczną szybkość parowania, czyli najwyższą możliwą wielkość parowania, jaka może wystąpić przy danym dopływie ciepła, w oparciu o podstawowe zasady fizyczne, takie jak zachowanie ciepła. energii. W tych eksperymentach woda została związana z hydrożelem. Choć początkowo byli sceptyczni, Chen i Tu rozpoczęli własne eksperymenty z hydrożelami, włączając w to kawałek materiału z drugiej grupy.

„Przetestowaliśmy to w symulatorze słońca i zadziałało” – mówi Chen, potwierdzając niezwykle wysokie tempo parowania. „Więc teraz im wierzymy”. Następnie Chen i Tu zaczęli wytwarzać i testować własne hydrożele.

Zaczęli podejrzewać, że nadmierne parowanie jest spowodowane samym światłem i że fotony światła w rzeczywistości wyrzucają wiązki cząsteczek wody z powierzchni wody. Efekt ten wystąpi jedynie na warstwie granicznej pomiędzy wodą i powietrzem, na powierzchni materiału hydrożelowego, a być może także na powierzchni morza lub powierzchni kropelek w chmurach lub mgle.

W laboratorium monitorowali powierzchnię hydrożelu, matrycy przypominającej JELL-O, składającej się głównie z wody związanej gąbczastą siecią cienkich warstw. Zmierzyli swoje reakcje na symulowane światło słoneczne o precyzyjnie kontrolowanych długościach fal.

Biały strumień kondensacji na szkle to woda odparowująca z hydrożelu przy użyciu zielonego światła, bez ogrzewania. Źródło: dzięki uprzejmości badaczy

Naukowcy wystawili powierzchnię wody na działanie światła o różnych barwach i zmierzyli szybkość parowania. Dokonali tego, umieszczając na wadze napełniony wodą pojemnik z hydrożelem i bezpośrednio mierząc ilość masy utraconej w wyniku parowania, a także monitorując temperaturę nad powierzchnią hydrożelu. Lampy zostały osłonięte, aby zapobiec ich przegrzaniu. Naukowcy odkryli, że efekt różni się w zależności od koloru i wartości szczytowych przy określonej długości fali zielonego światła. Ta zależność od koloru nie ma nic wspólnego z temperaturą, a zatem potwierdza pogląd, że to samo światło powoduje przynajmniej część parowania.

Naukowcy próbowali odtworzyć zaobserwowaną szybkość parowania przy tej samej konfiguracji, ale wykorzystując energię elektryczną do ogrzania materiału, bez światła. Chociaż dopływ ciepła był taki sam jak w drugim teście, ilość odparowanej wody nigdy nie przekroczyła granicy termicznej. Zrobiło to jednak podczas symulacji światła słonecznego, potwierdzając, że przyczyną nadmiernego parowania jest światło.

Chociaż sama woda nie pochłania tak dużo światła jak sam hydrożel, gdy te dwa elementy łączą się, stają się potężnymi pochłaniaczami, mówi Chen. Pozwala to materiałowi efektywnie wykorzystać energię fotonów słonecznych i przekroczyć granicę termiczną, bez konieczności stosowania jakichkolwiek ciemnych pigmentów do absorpcji.

Potencjalne zastosowania i bieżąca współpraca

Po odkryciu tego efektu, zwanego efektem fotomolekularnym, badacze pracują obecnie nad zastosowaniem go do rzeczywistych potrzeb. Otrzymali grant od laboratorium Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Laboratory w MIT na badania nad wykorzystaniem tego zjawiska do poprawy wydajności systemów odsalania zasilanych energią słoneczną oraz grant Bose na zbadanie wpływu tego zjawiska na modelowanie zmian klimatycznych.

Tu wyjaśnia, że ​​w standardowych procesach odsalania „proces odsalania zwykle składa się z dwóch etapów: najpierw odparowujemy wodę w parę, a następnie musimy skroplić parę, aby upłynnić ją w świeżą wodę”. Jego zdaniem dzięki temu odkryciu prawdopodobnie „będziemy w stanie osiągnąć wysoką wydajność po stronie parowania”. Proces może mieć także zastosowanie w procesach wymagających suszenia materiału.

Chen twierdzi, że zasadniczo wierzy, że dzięki podejściu opartemu na świetle możliwe będzie zwiększenie maksymalnej ilości wody wytwarzanej w wyniku odsalania słonecznego, która obecnie wynosi 1,5 kilograma na metr kwadratowy, nawet trzy lub cztery razy. „Może to w rzeczywistości prowadzić do taniego odsalania wody” – mówi.

Tu dodaje, że zjawisko to można również wykorzystać w procesach chłodzenia wyparnego, wykorzystując przemianę fazową w celu zapewnienia wysoce wydajnego systemu chłodzenia słonecznego.

Jednocześnie badacze ściśle współpracują z innymi grupami, próbując powtórzyć wyniki, mając nadzieję przezwyciężyć sceptycyzm, jaki budzi nieoczekiwane wyniki i hipoteza wysuwana w celu ich wyjaśnienia.

Odniesienie: „Rozsądny efekt fotomolekularny prowadzący do odparowania wody poza granicę termiczną”, autorzy: Yaodong Tu, Jiawei Zhou, Xiaoting Lin, Mohamed Al-Sharrah, Xuan Zhao i Zhang Chen, 30 października 2023 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
doi: 10.1073/pnas.2312751120

W skład zespołu badawczego weszli także Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohamed Al-Sharrah i Xuanhe Zhao, wszyscy z Wydziału Inżynierii Mechanicznej MIT.