Parowanie jest wszechobecne wokół nas – od potu chłodzącego nasze ciała, po rosę pojawiającą się na łące w porannym Słońcu. Ale w pełnym zrozumieniu tego procesu wciąż czegoś nam brakowało. W ostatnich latach odkryto, że woda trzymana w materiałach hydrożelowych parowała szybciej niż można to tłumaczyć ilością zgromadzonego ciepła.
Czytaj też: Woda na pustyni? Ten żel potrafi zdziałać cuda
Teraz zespół uczonych z MIT doszedł do zaskakującego wniosku: w pewnych okolicznościach, gdy woda spotyka się z powietrzem, światło może bezpośrednio wywoływać parowanie. Nie jest potrzebny tu nadmiar ciepła, który układ “chce” oddać. Wiemy, że proces taki zachodzi w materiałach hydrożelowych, ale naukowcy sugerują, że zachodzi on również w innych warunkach. Wyniki opisano w czasopiśmie PNAS.
Parowanie wody może być wyzwalane tylko światłem
Nowo odkryte zjawisko może odgrywać ważną rolę w powstawaniu i ewolucji mgły oraz chmur. Może być konieczne jego uwzględnienie w modelach klimatycznych w celu poprawy ich dokładności. Proces parowania stymulowany światłem może także odgrywać ważną rolę w wielu procesach przemysłowych, m.in. odsalaniem wody morskiej.
Naukowcy MIT natknęli się na pracę innego zespołu badawczego, który osiągnął szybkość parowania dwukrotnie większą od tzw. granicy termicznej. Mówimy o największej możliwej wielkości parowania, jaka może nastąpić przy danym dopływie ciepła, w oparciu o podstawowe prawa fizyki. To właśnie w tych eksperymentach była zamknięta w hydrożelu. Zespół prof. Ganga Chena z MIT był sceptyczny i postanowił stworzyć własny układ doświadczalny.
Czytaj też: Ta “woda” nigdy nie zamarza. Odkryto nowy stan kwantowy
Uczeni wywnioskowali, że nadmierne parowanie jest spowodowane samym światłem i że to fotony wybijają pakiety cząsteczek wody z powierzchni płynu. 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 warunkach laboratoryjnych monitorowali powierzchnię hydrożelu o strukturze podobnej do budynku, składającej się głównie z wody związanej gąbczastą siecią cienkich membran. Zmierzyli jego reakcje na światło słoneczne o precyzyjnie kontrolowanych długościach fal.
Następnie naukowcy zmierzyli szybkość parowania. Dokonali tego w prosty sposób – na wadze umieścili pojemnik z hydrożelem wypełnionym wodą, oświetlali go i mierzyli ilość masy utraconej w wyniku parowania, a także monitorowali temperaturę powierzchni hydrożelu. 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.
Nowo zaobserwowany proces został nazwany efektem fotomolekularnym, a naukowcy obecnie pracują nad zastosowaniem go do rzeczywistych potrzeb. Planują wykorzystanie tego zjawiska do poprawy wydajności systemów odsalania zasilanych energią słoneczną oraz poprawy modelowania zmian klimatycznych.
Teoretycznie możliwe byłoby zwiększenie limitu wody produkowanej w wyniku odsalania słonecznego, który obecnie wynosi 1,5 kg/m2, nawet trzy- lub czterokrotnie przy zastosowaniu podejścia opartego na świetle. To z kolei może pomóc opracować naprawdę tanie systemy odsalania.
