Свет может испарять воду без нагревания

Недавно выявленный процесс мог бы объяснить множество природных явлений и обеспечить новые подходы к опреснению воды.

Испарение происходит вокруг нас постоянно: от пота, охлаждающего наши тела, до росы, обжигающей утреннее солнце. Но научное понимание этого повсеместного процесса, возможно, все это время частично упускалось из виду.

В последние годы некоторые исследователи были озадачены, обнаружив, что вода в их экспериментах, которая содержалась в похожем на губку материале, известном как гидрогель, испарялась с более высокой скоростью, чем можно было бы объяснить количеством тепла или термическими энергия. , что вода поступала. Профицит был большим — вдвое, а то и втрое, а то и больше теоретической максимальной ставки.

Согласно исследованию Массачусетского технологического института, когда вода и воздух взаимодействуют, свет при определенных условиях может вызвать испарение без необходимости использования тепла.

Обнаружение светового испарения

После проведения серии новых экспериментов и моделирования, а также повторного изучения некоторых результатов различных групп, которые утверждали, что превысили тепловой предел, группа исследователей пришла к выводу… Массачусетский Институт Технологий Он пришел к поразительному результату: при определенных условиях, на границе раздела воды и воздуха, свет может напрямую вызывать испарение без необходимости использования тепла, и фактически делает это более эффективно, чем тепло. В этих экспериментах вода была заперта в гидрогеле, но исследователи отмечают, что это явление может происходить и при других обстоятельствах.

Результаты опубликованы на этой неделе в статье в журнале С людьмипостдокторант Массачусетского технологического института Яодун Ту, профессор машиностроения Ган Чен и еще четыре человека.

В лаборатории исследователи наблюдали поверхность гидрогеля, матрицу, похожую на желе, состоящую в основном из воды, связанной с губчатой ​​сетью тонких пленок. На этих изображениях показаны подготовленные образцы гидрогеля, где верхний ряд показывает замороженное (A) или высушенное (C, E, G) состояния, а нижний ряд показывает «набухшие состояния». Фото: предоставлено исследователями

Это явление может играть роль в формировании и эволюции тумана и облаков, поэтому будет важно включить его в климатические модели для их улучшения. ТочностьИсследователи говорят. Он может играть важную роль во многих промышленных процессах, таких как опреснение воды с помощью солнечной энергии, и может стать альтернативой этапу предварительного преобразования солнечного света в тепло.

Значение для исследования

Новые результаты стали неожиданностью, поскольку вода сама по себе не поглощает свет в значительной степени. Вот почему сквозь многие футы чистой воды вы можете ясно видеть поверхность внизу. Итак, когда команда впервые начала исследовать процесс солнечного испарения для опреснения воды, они сначала поместили частицы черного светопоглощающего материала в чашу с водой, чтобы помочь преобразовать солнечный свет в тепло.

Затем команда наткнулась на работу другой группы, которая достигла двойного температурного предела скорости испарения, то есть максимально возможного количества испарения, которое может произойти при заданном поступлении тепла, на основе основных физических принципов, таких как сохранение тепла. энергии. В этих экспериментах вода была связана с гидрогелем. Хотя поначалу они были настроены скептически, Чен и Ту начали свои собственные эксперименты с гидрогелями, включая кусок материала из другой группы.

«Мы протестировали его на солнечном симуляторе, и он сработал», — говорит Чен, подтверждая необычно высокую скорость испарения. «Итак, теперь мы им верим». Затем Чен и Ту начали создавать и тестировать свои собственные гидрогели.

Они начали подозревать, что избыточное испарение было вызвано самим светом и что световые фотоны на самом деле выбрасывали лучи молекул воды с поверхности воды. Этот эффект будет возникать только в пограничном слое между водой и воздухом, на поверхности гидрогелевого материала и, возможно, также на поверхности моря или на поверхности капель в облаках или тумане.

В лаборатории они наблюдали за поверхностью гидрогеля, желеобразной матрицы, состоящей в основном из воды, связанной с губчатой ​​сеткой тонких пленок. Они измерили свою реакцию на искусственный солнечный свет на точно контролируемых длинах волн.

Белая струя конденсата на стекле — это вода, испаряющаяся из гидрогеля под действием зеленого света, без нагрева. Фото: предоставлено исследователями

Исследователи последовательно подвергали поверхность воды воздействию света разных цветов и измеряли скорость испарения. Они сделали это, поместив наполненный водой контейнер с гидрогелем на весы и непосредственно измерив количество массы, потерянной из-за испарения, а также отслеживая температуру над поверхностью гидрогеля. Фары были экранированы, чтобы предотвратить их перегрев. Исследователи обнаружили, что эффект варьируется в зависимости от цвета и достигает максимума при определенной длине волны зеленого света. Эта зависимость от цвета не имеет ничего общего с температурой и, таким образом, подтверждает идею о том, что сам свет вызывает, по крайней мере, некоторую часть испарения.

Исследователи попытались воспроизвести наблюдаемую скорость испарения с помощью той же установки, но используя электричество для нагрева материала без света. Хотя подвод тепла был таким же, как и в другом тесте, количество испаряемой воды ни разу не превысило тепловой предел. Однако это произошло во время моделирования солнечного света, что подтвердило, что свет был причиной избыточного испарения.

Хотя сама вода не поглощает столько света, сколько сам гидрогель, когда они соединяются, они становятся мощными поглотителями, говорит Чен. Это позволяет материалу эффективно использовать энергию солнечных фотонов и превышать тепловой предел, не требуя использования темных пигментов для поглощения.

Потенциальные применения и постоянное сотрудничество

Обнаружив этот эффект, который они называют фотомолекулярным эффектом, исследователи теперь работают над тем, как применить его в реальных целях. Они получили грант от Лаборатории водных и пищевых систем имени Абдула Латифа Джамиля Массачусетского технологического института на изучение использования этого явления для повышения эффективности систем опреснения, работающих на солнечной энергии, а также грант Bose на изучение влияния этого явления на моделирование изменения климата.

Ту объясняет, что в стандартных процессах опреснения «процесс опреснения обычно состоит из двух этапов: сначала мы испаряем воду в пар, а затем нам нужно конденсировать пар, чтобы превратить его в жидкость в пресную воду». По его словам, благодаря этому открытию мы, вероятно, «сможем достичь высокой эффективности испарения». Этот процесс также может найти применение в процессах, требующих сушки материала.

Чен говорит, что в принципе возможно увеличить максимальное количество воды, получаемой при опреснении солнечной энергией, которое в настоящее время составляет 1,5 килограмма на квадратный метр, в три или четыре раза, используя этот подход, основанный на освещении. «На самом деле это может привести к дешевому опреснению воды», — говорит он.

Ту добавляет, что это явление также можно использовать в процессах испарительного охлаждения, используя фазовый переход для создания высокоэффективной солнечной системы охлаждения.

В то же время исследователи также тесно сотрудничают с другими группами, пытаясь воспроизвести результаты, надеясь преодолеть скептицизм, связанный с неожиданными результатами и гипотезой, выдвинутой для их объяснения.

Ссылка: «Разумный фотомолекулярный эффект, приводящий к испарению воды за пределы теплового предела», Яодун Ту, Цзявэй Чжоу, Сяотин Линь, Мохамед Аль-Шарра, Сюань Чжао и Чжан Чен, 30 октября 2023 г., Труды Национальной академии наук.
дои: 10.1073/pnas.2312751120

В исследовательскую группу также входили Цзявэй Чжоу, Шаотин Линь, Мохамед Аль-Шарра и Сюаньхэ Чжао — все из факультета машиностроения Массачусетского технологического института.