A fény hő nélkül képes elpárologtatni a vizet

Egy újonnan azonosított folyamat számos természeti jelenséget magyarázhat, és új megközelítéseket tehet lehetővé a víz sótalanításában.

A párolgás folyamatosan történik körülöttünk, a testünket hűsítő verejtéktől a reggeli napon égő harmatig. De ennek a mindenütt jelenlévő folyamatnak a tudomány általi megértése talán mindeddig hiányzott belőle.

Az elmúlt években egyes kutatók megdöbbenve fedezték fel, hogy a kísérleteikben szereplő víz, amelyet egy szivacsszerű anyag, amelyet hidrogélnek neveznek, nagyobb sebességgel párolog el, mint ami a hőmennyiséggel vagy termikus hatásokkal magyarázható lenne. energia. , amit a víz fogadott. A többlet nagy volt – az elméleti maximális ráta kétszerese, sőt háromszorosa, vagy több.

Egy MIT tanulmány szerint, amikor a víz és a levegő kölcsönhatásba lép, a fény bizonyos körülmények között párolgást válthat ki anélkül, hogy hőre lenne szükség.

Fény által kiváltott párolgás kimutatása

Egy sor új kísérlet és szimuláció elvégzése, valamint néhány olyan csoport eredményeinek újravizsgálása után, amelyek azt állították, hogy túllépték a termikus határértéket, egy kutatócsoport arra a következtetésre jutott… Massachusetts Institute of Technology Megdöbbentő eredményre jutott: bizonyos körülmények között, a víz és a levegő találkozási határfelületén a fény közvetlenül, hőigény nélkül párolgást idézhet elő, sőt ezt hatékonyabban teszi, mint a hő. Ezekben a kísérletekben a vizet egy hidrogélbe zárták, de a kutatók rámutatnak, hogy ez a jelenség más körülmények között is előfordulhat.

Az eredményeket a héten publikálják EmberekkelYaodong Tu, az MIT posztdoktori kutatója, Gang Chen gépészmérnök professzor és négy másik személy.

A kutatók a laboratóriumban megfigyelték a hidrogél felületét, egy JELL-O-szerű mátrixot, amely többnyire vízből áll, amely vékony filmek szivacsszerű hálózatához kötődik. Ezeken a képeken előkészített hidrogél minták láthatók, ahol a felső sorban a fagyott (A) vagy szárított (C, E, G), az alsó sorban pedig a „duzzadt állapotok” láthatók. Hitel: a kutatók jóvoltából

Ez a jelenség szerepet játszhat a köd és a felhők kialakulásában és fejlődésében, ezért ezek javítása érdekében fontos lesz beépíteni az éghajlati modellekbe. PontosságA kutatók szerint. Fontos szerepet játszhat számos ipari folyamatban, például a szoláris víz sótalanításában, és alternatívát jelenthet a napfény hővé alakításánál.

Következmények a kutatás számára

Az új eredmények meglepőek, mert maga a víz nem nyeli el nagy mértékben a fényt. Ez az oka annak, hogy tisztán látni sok lábnyi tiszta vízen keresztül a lenti felszínig. Így tehát, amikor a csapat először elkezdte feltárni a napenergia párolgási folyamatát sótalanítás céljából, először egy fekete, fényelnyelő anyag részecskéit helyezték el egy tál vízben, hogy elősegítsék a napfény hővé alakítását.

A csapat ezután egy másik csoport munkájára bukkant, amely kettős hőkorlátos párolgási sebességet ért el, ami az adott hőbevitelnél előforduló legnagyobb párolgási arány, olyan alapvető fizikai elvek alapján, mint például a hőmegőrzés. energia. Ezekben a kísérletekben vizet kötöttek a hidrogélhez. Bár eleinte szkeptikusak voltak, Chen és Tu megkezdte saját kísérleteit hidrogélekkel, beleértve a másik csoport anyagának egy darabját is.

„Egy napelemes szimulátor alatt teszteltük, és működött” – mondja Chen, megerősítve a szokatlanul magas párolgási sebességet. – Szóval most hiszünk nekik. Chen és Tu ezután elkezdte saját hidrogéleik gyártását és tesztelését.

Kezdték gyanítani, hogy a túlzott párolgást maga a fény okozza, és hogy a fényfotonok valójában vízmolekulák nyalábjait űzték ki a víz felszínéről. Ez a hatás csak a víz és a levegő határrétegén, a hidrogél anyag felszínén, esetleg a tenger felszínén vagy a felhőkben vagy ködben lévő cseppek felszínén jelentkezik.

A laboratóriumban a hidrogél felületét figyelték meg, egy JELL-O-szerű mátrixot, amely többnyire vízből áll, amely vékony filmek szivacsszerű hálózatához kötődik. Pontosan szabályozott hullámhosszon mérték a szimulált napfényre adott válaszaikat.

Az üvegen lévő fehér kondenzsugár a hidrogélből zöld fénnyel párologtató víz, hő nélkül. Hitel: a kutatók jóvoltából

A kutatók egymás után különböző színű fénynek tették ki a vízfelületet, és megmérték a párolgási sebességet. Ezt úgy tették, hogy egy vízzel töltött hidrogélt tartalmazó edényt egy mérlegre helyeztek, és közvetlenül megmérték a párolgás miatt elvesztett tömeg mennyiségét, valamint figyelték a hidrogél felszíne feletti hőmérsékletet. A lámpákat árnyékolták, hogy ne melegedjenek túl. A kutatók azt találták, hogy a hatás a színtől függően változik, és a zöld fény egy bizonyos hullámhosszán éri el a csúcsot. Ennek a színfüggőségnek semmi köze a hőmérséklethez, és így alátámasztja azt az elképzelést, hogy a párolgás legalább egy részét maga a fény okozza.

A kutatók megpróbálták megismételni a megfigyelt párolgási sebességet ugyanazzal a beállítással, de elektromos energiát használva az anyag melegítésére, fény nélkül. Bár a hőbevitel megegyezett a másik teszttel, az elpárolgott víz mennyisége soha nem haladta meg a termikus határértéket. Ezt azonban a napfény-szimuláció futása közben tette, megerősítve, hogy a fény okozta a túlzott párolgást.

Bár maga a víz nem nyel el annyi fényt, mint maga a hidrogél, amikor a kettő összeér, erős elnyelővé válnak, mondja Chen. Ez lehetővé teszi, hogy az anyag hatékonyan hasznosítsa a nap fotonjainak energiáját, és túllépje a termikus határértéket anélkül, hogy sötét pigmentekre lenne szükség az abszorpcióhoz.

Potenciális alkalmazások és folyamatos együttműködés

Miután felfedezték ezt a hatást, amit fotomolekuláris hatásnak neveznek, a kutatók most azon dolgoznak, hogyan alkalmazzák a való világ igényeire. Támogatást kaptak az MIT Abdul Latif Jameel Víz- és Élelmiszerrendszerek Laboratóriumától, hogy tanulmányozzák a jelenséget a napenergiával működő sótalanító rendszerek hatékonyságának javítására, valamint a Bose támogatást a jelenség klímaváltozás modellezésre gyakorolt ​​hatásainak feltárására.

Tu elmagyarázza, hogy a szokásos sótalanítási eljárásokban „a sótalanítási folyamat általában két lépésből áll: először a vizet gőzzé párologtatjuk, majd a gőzt kondenzálnunk kell, hogy édesvízzé cseppfolyósítsuk.” Ezzel a felfedezéssel valószínűleg „nagy hatékonyságot tudunk elérni a párolgási oldalon”. Az eljárás alkalmazható olyan eljárásokban is, amelyek megkövetelik az anyag szárítását.

Chen azt mondja, elvileg úgy véli, hogy ezzel a fényalapú megközelítéssel akár három-négyszeresére is meg lehet növelni a napenergiával történő sótalanítás által termelt maximális vízmennyiséget, amely jelenleg 1,5 kilogramm négyzetméterenként. „Ez valójában olcsó vízsótalanításhoz vezethet” – mondja.

Tu hozzáteszi, hogy ez a jelenség párolgásos hűtési folyamatokban is hasznosítható, a fázisváltás segítségével rendkívül hatékony szoláris hűtőrendszert biztosítva.

Ugyanakkor a kutatók szorosan együttműködnek más csoportokkal is, akik megpróbálják megismételni az eredményeket, abban a reményben, hogy leküzdhetik a váratlan eredményekkel szembeni szkepticizmust és az azokat megmagyarázó hipotézist.

Hivatkozás: „Észszerű fotomolekuláris hatás, amely a víz hőhatáron túli elpárologtatásához vezet”, Yaodong Tu, Jiawei Zhou, Xiaoting Lin, Mohamed Al-Sharrah, Xuan Zhao és Zhang Chen, 2023. október 30. Proceedings of the National Academy of Sciences.
doi: 10.1073/pnas.2312751120

A kutatócsoport tagja volt Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohamed Al-Sharrah és Xuanhe Zhao is, mindannyian az MIT Gépészmérnöki Tanszékén.