Licht kann Wasser ohne Wärme verdampfen

Ein neu identifizierter Prozess könnte eine Vielzahl natürlicher Phänomene erklären und neue Ansätze zur Wasserentsalzung ermöglichen.

Verdunstung findet ständig überall um uns herum statt, vom Schweiß, der unseren Körper kühlt, bis zum Tau, der in der Morgensonne brennt. Aber dem wissenschaftlichen Verständnis dieses allgegenwärtigen Prozesses ist möglicherweise die ganze Zeit über ein Teil davon entgangen.

In den letzten Jahren waren einige Forscher verwirrt, als sie herausfanden, dass das Wasser in ihren Experimenten, das in einem schwammartigen Material namens Hydrogel enthalten war, schneller verdunstete, als durch die Menge an Wärme oder Wärme erklärt werden konnte Energie. , dass das Wasser empfing. Der Überschuss war groß – doppelt oder sogar dreifach oder mehr als der theoretische Höchstsatz.

Laut einer MIT-Studie kann Licht unter bestimmten Bedingungen bei der Wechselwirkung von Wasser und Luft eine Verdunstung auslösen, ohne dass Wärme erforderlich ist.

Nachweis lichtinduzierter Verdunstung

Nach der Durchführung einer Reihe neuer Experimente und Simulationen und der erneuten Prüfung einiger Ergebnisse verschiedener Gruppen, die behaupteten, die thermische Grenze überschritten zu haben, kam ein Forscherteam zu dem Schluss … Massachusetts Institute of Technology Er kam zu einem verblüffenden Ergebnis: Unter bestimmten Bedingungen kann Licht an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft direkt eine Verdunstung bewirken, ohne dass Wärme erforderlich ist, und zwar effizienter als Wärme. Bei diesen Experimenten war Wasser in einem Hydrogel eingeschlossen, die Forscher weisen jedoch darauf hin, dass dieses Phänomen auch unter anderen Umständen auftreten kann.

Die Ergebnisse werden diese Woche in einem Artikel in veröffentlicht Mit Leutenvom MIT-Postdoktoranden Yaodong Tu, dem Maschinenbauprofessor Gang Chen und vier weiteren.

Im Labor beobachteten die Forscher die Oberfläche des Hydrogels, einer Wackelpudding-ähnlichen Matrix, die hauptsächlich aus Wasser besteht, das an ein schwammartiges Netzwerk dünner Filme gebunden ist. Diese Bilder zeigen vorbereitete Hydrogelproben, wobei in der oberen Reihe der gefrorene (A) oder getrocknete (C, E, G) Zustand und in der unteren Reihe der „geschwollene Zustand“ dargestellt ist. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Dieses Phänomen könnte bei der Bildung und Entwicklung von Nebel und Wolken eine Rolle spielen, und daher wird es wichtig sein, es in Klimamodelle zu integrieren, um diese zu verbessern. GenauigkeitForscher sagen. Es könnte in vielen industriellen Prozessen, wie etwa der solaren Wasserentsalzung, eine wichtige Rolle spielen und Alternativen zum Schritt der Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme darstellen.

Implikationen für die Forschung

Die neuen Ergebnisse sind überraschend, da Wasser selbst kein nennenswertes Licht absorbiert. Deshalb können Sie durch viele Meter sauberes Wasser hindurch klar bis zur Oberfläche sehen. Als das Team begann, den Prozess der Sonnenverdunstung zur Entsalzung zu erforschen, gaben sie zunächst Partikel eines schwarzen, lichtabsorbierenden Materials in eine Schüssel mit Wasser, um dabei zu helfen, Sonnenlicht in Wärme umzuwandeln.

Das Team stieß dann auf die Arbeit einer anderen Gruppe, die eine doppelte thermische Grenzverdunstungsrate erreicht hatte, die die höchstmögliche Verdunstungsmenge darstellt, die bei einer gegebenen Wärmezufuhr auftreten kann, basierend auf grundlegenden physikalischen Prinzipien wie der Wärmeerhaltung. von Energie. Bei diesen Experimenten wurde Wasser an das Hydrogel gebunden. Obwohl sie zunächst skeptisch waren, begannen Chen und Tu ihre eigenen Experimente mit Hydrogelen, einschließlich eines Stücks des Materials der anderen Gruppe.

„Wir haben es unter einem Sonnensimulator getestet und es hat funktioniert“, bestätigt Chen die ungewöhnlich hohe Verdunstungsrate. „Also glauben wir ihnen jetzt.“ Anschließend begannen Chen und Tu mit der Herstellung und Erprobung ihrer eigenen Hydrogele.

Sie begannen zu vermuten, dass die übermäßige Verdunstung durch das Licht selbst verursacht wurde und dass die Lichtphotonen tatsächlich Strahlen von Wassermolekülen von der Wasseroberfläche ausschleuderten. Dieser Effekt tritt nur an der Grenzschicht zwischen Wasser und Luft, auf der Oberfläche des Hydrogelmaterials und möglicherweise auch auf der Meeresoberfläche oder den Oberflächen von Tröpfchen in Wolken oder Nebel auf.

Im Labor überwachten sie die Oberfläche des Hydrogels, einer JELL-O-ähnlichen Matrix, die hauptsächlich aus Wasser besteht, das an ein schwammartiges Netzwerk dünner Filme gebunden ist. Sie haben ihre Reaktionen auf simuliertes Sonnenlicht bei präzise kontrollierten Wellenlängen gemessen.

Der weiße Kondensationsstrahl auf dem Glas ist das durch grünes Licht aus dem Hydrogel verdunstende Wasser ohne Hitze. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Die Forscher setzten die Wasseroberfläche nacheinander verschiedenen Lichtfarben aus und maßen die Verdunstungsrate. Dazu stellten sie einen mit Wasser gefüllten Behälter mit Hydrogel auf eine Waage und maßen direkt den Masseverlust durch Verdunstung sowie die Temperatur über der Oberfläche des Hydrogels. Um eine Überhitzung zu verhindern, wurden die Leuchten abgeschirmt. Die Forscher fanden heraus, dass der Effekt je nach Farbe variiert und bei einer bestimmten Wellenlänge des grünen Lichts seinen Höhepunkt erreicht. Diese Abhängigkeit von der Farbe hat nichts mit der Temperatur zu tun und stützt daher die Annahme, dass es das Licht selbst ist, das zumindest einen Teil der Verdunstung verursacht.

Die Forscher versuchten, die beobachtete Verdunstungsrate mit demselben Aufbau zu reproduzieren, verwendeten jedoch Elektrizität zum Erhitzen des Materials ohne Licht. Obwohl der Wärmeeintrag derselbe war wie im anderen Test, überschritt die verdunstete Wassermenge nie die thermische Grenze. Dies geschah jedoch, während die Sonnenlichtsimulation lief, was bestätigte, dass Licht die Ursache für die übermäßige Verdunstung war.

Obwohl das Wasser selbst nicht so viel Licht absorbiert wie das Hydrogel selbst, werden die beiden zusammen zu leistungsstarken Absorbern, sagt Chen. Dadurch kann das Material die Energie der Sonnenphotonen effizient nutzen und die thermische Grenze überschreiten, ohne dass dunkle Pigmente zur Absorption erforderlich sind.

Mögliche Anwendungen und laufende Zusammenarbeit

Nachdem Forscher diesen Effekt entdeckt haben, den sie als photomolekularen Effekt bezeichnen, arbeiten sie nun daran, ihn auf reale Bedürfnisse anzuwenden. Sie erhielten ein Stipendium vom Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Laboratory des MIT, um die Nutzung des Phänomens zur Verbesserung der Effizienz solarbetriebener Entsalzungssysteme zu untersuchen, und ein Bose-Stipendium, um die Auswirkungen des Phänomens auf die Modellierung des Klimawandels zu untersuchen.

Tu erklärt, dass bei Standard-Entsalzungsprozessen „der Entsalzungsprozess normalerweise aus zwei Schritten besteht: Zuerst verdampfen wir das Wasser zu Dampf, und dann müssen wir den Dampf kondensieren, um ihn zu Frischwasser zu verflüssigen.“ Mit dieser Entdeckung, sagt er, werden wir wahrscheinlich „in der Lage sein, eine hohe Effizienz auf der Verdampfungsseite zu erreichen“. Das Verfahren kann auch in Prozessen Anwendung finden, die eine Trocknung des Materials erfordern.

Chen sagt, er glaube grundsätzlich, dass es mit diesem lichtbasierten Ansatz möglich sein könnte, die maximale Wasserproduktion durch solare Entsalzung, die derzeit bei 1,5 Kilogramm pro Quadratmeter liegt, um das Drei- bis Vierfache zu steigern. „Dies könnte tatsächlich zu einer kostengünstigen Wasserentsalzung führen“, sagt er.

Tu fügt hinzu, dass dieses Phänomen auch bei Verdunstungskühlungsprozessen genutzt werden könnte, indem der Phasenwechsel genutzt wird, um ein hocheffizientes Solarkühlsystem bereitzustellen.

Gleichzeitig arbeiten Forscher auch eng mit anderen Gruppen zusammen, um die Ergebnisse zu reproduzieren, in der Hoffnung, die Skepsis gegenüber den unerwarteten Ergebnissen und der zu ihrer Erklärung aufgestellten Hypothese zu überwinden.

Referenz: „Angemessener photomolekularer Effekt, der zu einer Wasserverdunstung über die thermische Grenze hinaus führt“ von Yaodong Tu, Jiawei Zhou, Xiaoting Lin, Mohamed Al-Sharrah, Xuan Zhao und Zhang Chen, 30. Oktober 2023, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
doi: 10.1073/pnas.2312751120

Zum Forschungsteam gehörten auch Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohamed Al-Sharrah und Xuanhe Zhao, alle vom MIT Department of Mechanical Engineering.