Εκπληκτικό εύρημα, το φως μπορεί να κάνει το νερό να εξατμιστεί χωρίς θερμότητα –

Τα τελευταία χρόνια, ορισμένοι ερευνητές έχουν προβληματιστεί όταν ανακάλυψαν ότι το νερό στα πειράματά τους, το οποίο συγκρατήθηκε σε ένα υλικό σαν σφουγγάρι γνωστό ως υδρογέλη, εξατμιζόταν με υψηλότερο ρυθμό από ό,τι θα μπορούσε να εξηγηθεί από την ποσότητα θερμότητας ή θερμικής

ενέργεια

ς, που δεχόταν το νερό.

Και η υπέρβαση ήταν σημαντική, διπλασιασμός, ή ακόμα και τριπλασιασμός του θεωρητικού μέγιστου ποσοστού.

Μετά τη διεξαγωγή μιας σειράς νέων πειραμάτων και προσομοιώσεων και την επανεξέταση ορισμένων από τα

αποτελέσματα

από διάφορες

ομάδες

που ισχυρίστηκαν ότι είχαν υπερβεί το θερμικό όριο, μια ομάδα ερευνητών στο MIT κατέληξε σε ένα εκπληκτικό συμπέρασμα: Κάτω από ορισμένες συνθήκες, στη διεπαφή όπου το νερό συναντά τον αέρα, το φως μπορεί να προκαλέσει

απε

υθείας εξάτμιση χωρίς να χρειάζεται θερμότητα, και στην πραγματικότητα το κάνει ακόμα πιο αποτελεσματικά από τη θερμότητα. Σε αυτά τα πειράματα, το νερό συγκρατήθηκε σε υλικό υδρογέλης, αλλά οι ερευνητές προτείνουν ότι το φαινόμενο μπορεί να συμβεί και υπό άλλες συνθήκες.

Τα ευρήματα δημοσιεύονται αυτή την εβδομάδα σε μια δημοσίευση στο

PNAS

, από τον μεταδιδάκτορα του MIT Yaodong Tu, καθηγητή μηχανολογίας Gang Chen, και τέσσερις άλλους επιστήμονες. Η ερευνητική ομάδα περιελάμβανε επίσης τους Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohammed Alshrah και Xuanhe Zhao, όλοι στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του MIT.

Το φαινόμενο μπορεί να παίξει ρόλο στο σχηματισμό και την εξέλιξη της ομίχλης και των νεφών και επομένως θα ήταν σημαντικό να ενσωματωθεί σε κλιματικά μοντέλα για να βελτιωθεί η ακρίβειά τους, λένε οι ερευνητές. Και μπορεί να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο σε πολλές βιομηχανικές διαδικασίες, όπως η αφαλάτωση του νερού με ηλιακή ενέργεια, επιτρέποντας ίσως εναλλακτικές λύσεις στο βήμα της μετατροπής του ηλιακού φωτός σε θερμότητα πρώτα.

Τα νέα ευρήματα προκαλούν έκπληξη επειδή το ίδιο το νερό δεν απορροφά το φως σε σημαντικό βαθμό. Γι’ αυτό μπορείτε να δείτε καθαρά μέσα από πολλά μέτρα καθαρού νερού  κάτω από την επιφάνεια. Έτσι, όταν η ομάδα άρχισε αρχικά να εξερευνά τη διαδικασία της ηλιακής εξάτμισης για αφαλάτωση, πρώτα έβαλε σωματίδια ενός μαύρου υλικού που απορροφά το φως σε ένα δοχείο με νερό για να βοηθήσει στη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε θερμότητα.

Στη συνέχεια, η ομάδα συνάντησε την εργασία μιας άλλης ομάδας που είχε επιτύχει ρυθμό εξάτμισης διπλάσιο από το θερμικό όριο,  που είναι η υψηλότερη δυνατή ποσότητα εξάτμισης που μπορεί να λάβει χώρα για μια δεδομένη εισροή θερμότητας, με βάση βασικές φυσικές αρχές όπως η διατήρηση της ενέργειας. Ήταν σε αυτά τα πειράματα που το νερό δεσμεύτηκε σε μια υδρογέλη. Αν και αρχικά ήταν δύσπιστοι, οι επιστήμονες ξεκίνησαν τα δικά τους πειράματα με υδρογέλες, συμπεριλαμβανομένου ενός κομματιού του υλικού από την άλλη ομάδα. «Το δοκιμάσαμε κάτω από τον ηλιακό μας προσομοιωτή και λειτούργησε», επιβεβαιώνοντας τον ασυνήθιστα υψηλό ρυθμό εξάτμισης, λέει ο Chen. «Λοιπόν, τους πιστέψαμε τώρα». Ο Chen και ο Tu άρχισαν στη συνέχεια να φτιάχνουν και να δοκιμάζουν τις δικές τους υδρογέλες.

Άρχισαν να διαπιστώνουν ότι η υπερβολική εξάτμιση προκλήθηκε από το ίδιο το φως, ότι τα φωτόνια του φωτός στην πραγματικότητα χτυπούσαν δέσμες μορίων νερού από την επιφάνεια του νερού. Αυτό το φαινόμενο θα λάμβανε χώρα μόνο ακριβώς στο οριακό στρώμα μεταξύ νερού και αέρα, στην επιφάνεια του υλικού υδρογέλης και ίσως επίσης στην επιφάνεια της θάλασσας ή στις επιφάνειες των σταγονιδίων στα σύννεφα ή την ομίχλη.

Στο εργαστήριο, παρακολούθησαν την επιφάνεια μιας υδρογέλης, τύπου JELL-O που αποτελείται κυρίως από νερό συνδεδεμένο με ένα πλέγμα σαν σφουγγάρι λεπτών μεμβρανών. Μέτρησαν τις αποκρίσεις του στο προσομοιωμένο ηλιακό φως με επακριβώς ελεγχόμενα μήκη κύματος.

Οι ερευνητές υπέβαλαν την επιφάνεια του νερού σε διαφορετικά χρώματα φωτός με τη σειρά και μέτρησαν τον ρυθμό εξάτμισης. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το αποτέλεσμα ποικίλλει ανάλογα με το χρώμα και κορυφώνεται σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος πράσινου φωτός. Μια τέτοια χρωματική εξάρτηση δεν έχει καμία σχέση με τη θερμότητα, και έτσι υποστηρίζει την ιδέα ότι το ίδιο το φως είναι που προκαλεί τουλάχιστον ένα μέρος της εξάτμισης.

Οι ερευνητές προσπάθησαν να αντιγράψουν τον παρατηρούμενο ρυθμό εξάτμισης με την ίδια διάταξη, αλλά χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό για τη θέρμανση του υλικού και χωρίς φως. Παρόλο που η θερμική είσοδος ήταν η ίδια με την άλλη δοκιμή, η ποσότητα του νερού που εξατμίστηκε δεν ξεπέρασε ποτέ το θερμικό όριο. Ωστόσο, το έκανε όταν το προσομοιωμένο ηλιακό φως ήταν αναμμένο, επιβεβαιώνοντας ότι το φως ήταν η αιτία της επιπλέον εξάτμισης.

Αν και το ίδιο το νερό δεν απορροφά πολύ φως, ούτε και το ίδιο το υλικό υδρογέλης, όταν τα δύο συνδυάζονται γίνονται ισχυροί απορροφητές, λέει ο Chen. Αυτό επιτρέπει στο υλικό να αξιοποιεί αποτελεσματικά την ενέργεια των ηλιακών φωτονίων και να υπερβαίνει το θερμικό όριο, χωρίς να χρειάζεται σκούρες βαφές για απορρόφηση.

Έχοντας ανακαλύψει αυτό το φαινόμενο, το οποίο ονόμασαν φωτομοριακό φαινόμενο, οι ερευνητές εργάζονται τώρα για το πώς να το εφαρμόσουν στις ανάγκες του πραγματικού κόσμου,  για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας των συστημάτων αφαλάτωσης με ηλιακή ενέργεια και μια επιχορήγηση Bose για τη διερεύνηση των επιπτώσεων του φαινομένου στη μοντελοποίηση της κλιματικής αλλαγής.

Ο Tu εξηγεί ότι στις τυπικές διαδικασίες αφαλάτωσης, «συνήθως έχει δύο στάδια: Πρώτα εξατμίζουμε το νερό σε ατμό και μετά πρέπει να συμπυκνώσουμε τον ατμό για να τον υγροποιήσουμε σε γλυκό νερό». Με αυτή την ανακάλυψη, λέει, δυνητικά «μπορούμε να επιτύχουμε υψηλή απόδοση από την πλευρά της εξάτμισης». Η διαδικασία θα μπορούσε επίσης να αποδειχθεί ότι έχει εφαρμογές σε διαδικασίες που απαιτούν ξήρανση ενός υλικού.

Είναι δυνατό να αυξηθεί το όριο του νερού που παράγεται από την ηλιακή αφαλάτωση, το οποίο είναι επί του παρόντος 1,5 κιλά ανά τετραγωνικό μέτρο, έως και τρεις ή τέσσερις φορές χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση που βασίζεται στο φως. «Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει πραγματικά σε φθηνή αφαλάτωση», λέει.

Το φαινόμενο θα μπορούσε δυνητικά να αξιοποιηθεί και στις διεργασίες ψύξης με εξάτμιση, χρησιμοποιώντας την αλλαγή φάσης για να παρέχει ένα υψηλής απόδοσης ηλιακό σύστημα ψύξης.

Εν τω μεταξύ, οι ερευνητές συνεργάζονται επίσης στενά με άλλες ομάδες που προσπαθούν να αναπαράγουν τα ευρήματα, ελπίζοντας να ξεπεράσουν τον σκεπτικισμό που αντιμετώπισε τα απροσδόκητα ευρήματα και την υπόθεση που προωθείται για να τα εξηγήσουν.