Parowanie zachodzi wokół nas przez cały czas, od potu chłodzącego nasze ciała po rosę spalającą się w porannym słońcu. Jednak w naukowym rozumieniu tego wszechobecnego procesu przez cały ten czas mogło brakować jakiegoś elementu.
W ostatnich latach niektórzy badacze byli zaskoczeni odkryciem, że w ich eksperymentach woda, która była trzymana w przypominającym gąbkę materiale znanym jako hydrożel, parowała z większą szybkością, niż można to wytłumaczyć ilością ciepła lub energii cieplnej , że woda odbierała. A nadwyżka była znacząca – podwoiła się, a nawet potroiła lub więcej teoretycznej stawki maksymalnej.
Po przeprowadzeniu serii nowych eksperymentów i symulacji oraz ponownym przeanalizowaniu niektórych wyników różnych grup, które twierdziły, że przekroczyły granicę termiczną, zespół badaczy z MIT doszedł do zaskakującego wniosku: w pewnych warunkach na styku wody spotyka się z powietrzem, światło może bezpośrednio wywołać parowanie, bez potrzeby stosowania ciepła, i faktycznie robi to jeszcze wydajniej niż ciepło. W tych eksperymentach wodę trzymano w materiale hydrożelowym, ale naukowcy sugerują, że zjawisko to może wystąpić również w innych warunkach.
Wyniki zostały opublikowane w tym tygodniu w artykule w PNAS przez postdoktora z MIT Yaodong Tu, profesora inżynierii mechanicznej Gang Chena i czterech innych osób.
Zjawisko to może odgrywać rolę w powstawaniu i ewolucji mgły i chmur, dlatego ważne byłoby uwzględnienie go w modelach klimatycznych w celu poprawy ich dokładności – twierdzą naukowcy. Może także odgrywać ważną rolę w wielu procesach przemysłowych, takich jak odsalanie wody za pomocą energii słonecznej, być może umożliwiając stworzenie alternatyw dla etapu przekształcania najpierw światła słonecznego w ciepło.
Nowe odkrycie jest zaskoczeniem, ponieważ sama woda nie pochłania światła w znaczącym stopniu. Dlatego przez wiele stóp czystej wody widać wyraźnie powierzchnię poniżej. Kiedy więc zespół początkowo zaczął badać proces odparowania światła słonecznego w celu odsalania, najpierw umieścił cząstki czarnego, pochłaniającego światło materiału w pojemniku z wodą, aby pomóc przekształcić światło słoneczne w ciepło.
Następnie zespół natknął się na pracę innej grupy, która osiągnęła szybkość parowania dwukrotnie większą od granicy termicznej – czyli najwyższą możliwą wielkość parowania, jaka może nastąpić przy danym dopływie ciepła, w oparciu o podstawowe zasady fizyczne, takie jak oszczędzanie energii. To właśnie w tych eksperymentach woda była związana w hydrożelu. Choć początkowo byli sceptyczni, Chen i Tu rozpoczęli własne eksperymenty z hydrożelami, włączając w to kawałek materiału z drugiej grupy. „Przetestowaliśmy to w naszym symulatorze słonecznym i zadziałało”, potwierdzając niezwykle wysoką szybkość parowania, mówi Chen. „Więc teraz im uwierzyliśmy”. Następnie Chen i Tu zaczęli wytwarzać i testować własne hydrożele.
Zaczęli podejrzewać, że nadmierne parowanie jest spowodowane samym światłem – że fotony światła w rzeczywistości wyrzucają wiązki cząsteczek wody z powierzchni wody. Efekt ten miałby miejsce tylko na warstwie granicznej między 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 membran. Zmierzyli jego reakcje na symulowane światło słoneczne o precyzyjnie kontrolowanych długościach fal.
Naukowcy poddali powierzchnię wody działaniu światła o różnych kolorach i zmierzyli szybkość parowania. Dokonali tego, umieszczając na wadze pojemnik z hydrożelem wypełnionym wodą i bezpośrednio mierząc ilość masy utraconej w wyniku parowania, a także monitorując temperaturę nad powierzchnią hydrożelu. Światła zostały osłonięte, aby zapobiec wprowadzaniu dodatkowego ciepła. Naukowcy odkryli, że efekt różnił się w zależności od koloru i osiągał maksimum przy określonej długości fali zielonego światła. Taka zależność koloru nie ma związku z ciepłem, co potwierdza pogląd, że to samo światło powoduje przynajmniej część parowania.
Naukowcy próbowali odtworzyć zaobserwowaną szybkość parowania przy tej samej konfiguracji, ale do ogrzewania materiału używali energii elektrycznej i bez światła. Mimo że dopływ ciepła był taki sam jak w drugim teście, ilość odparowanej wody nigdy nie przekroczyła limitu termicznego. Zrobiło to jednak, gdy włączone było symulowane światło słoneczne, co potwierdziło, że przyczyną dodatkowego parowania było światło.
Choć sama woda nie pochłania dużo światła, podobnie jak sam materiał hydrożelowy, to gdy te dwa elementy się połączą, stają się silnymi pochłaniaczami, mówi Chen. Dzięki temu materiał może skutecznie wykorzystać energię fotonów słonecznych i przekroczyć granicę termiczną, bez potrzeby stosowania ciemnych barwników do absorpcji.
Po odkryciu tego efektu, który nazwali efektem fotomolekularnym, naukowcy pracują obecnie nad zastosowaniem go do rzeczywistych potrzeb. Posiadają grant od Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab na badanie wykorzystania tego zjawiska do poprawy wydajności systemów odsalania zasilanych energią słoneczną oraz grant Bose na badanie wpływu tego zjawiska na modelowanie zmian klimatycznych.
Tu wyjaśnia, że w standardowych procesach odsalania „zwykle składa się to z dwóch etapów: najpierw odparowujemy wodę w parę, a następnie musimy ją skondensować, aby upłynnić ją w świeżą wodę”. Jego zdaniem dzięki temu odkryciu potencjalnie „możemy osiągnąć wysoką wydajność po stronie parowania”. Proces ten może również znaleźć zastosowanie w procesach wymagających suszenia materiału.
Chen twierdzi, że w zasadzie jego zdaniem możliwe byłoby zwiększenie limitu wody produkowanej w wyniku odsalania słonecznego, który obecnie wynosi 1,5 kilograma na metr kwadratowy, nawet trzy- lub czterokrotnie przy zastosowaniu podejścia opartego na świetle. „To mogłoby potencjalnie naprawdę prowadzić do taniego odsalania” – mówi.
Tu dodaje, że zjawisko to można potencjalnie wykorzystać także w procesach chłodzenia wyparnego, wykorzystując przemianę fazową do zapewnienia wysoce wydajnego systemu chłodzenia słonecznego.
W międzyczasie badacze ściśle współpracują również z innymi grupami, które próbują powtórzyć odkrycia, mając nadzieję przezwyciężyć sceptycyzm, jaki spotkał się z nieoczekiwanymi odkryciami i wysuwaną hipotezą mającą na celu ich wyjaśnienie.
W skład zespołu badawczego wchodzili także Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohammed Alshrah i Xuanhe Zhao, wszyscy z Wydziału Inżynierii Mechanicznej MIT.