Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) выдвинули предположение, что свет способен испарять воду эффективнее тепла с помощью процесса, названного «фотомолекулярным эффектом».
Данное открытие, которое перевернуло представление о испарении, может принести улучшение систем опреснения и разработку более точных климатических моделей.
В настоящее время считается, что испарение начинается, когда молекулы воды возле поверхности жидкости поглощают достаточное количество энергии и превращаются в водяной пар, поднимающийся в воздух. Раньше полагали, что природой этот процесс запускается исключительно солнечным теплом, но учёные из Массачусетского технологического института утверждают, что мы игнорируем другой важный фактор.
Свет оказывает существенное влияние на испарение, что кажется странным, учитывая малую способность воды поглощать солнечный свет в видимом спектре.
Малое поглощение объясняет прозрачность воды даже на значительных глубинах. В результате этого ученые не всегда правильно оценивают значение света в промышленных процессах. Например, в опреснениях воды применяются поглощающие материалы, как сажа, для преобразования света в тепло и последующего испарения воды через него.
Скорость испарения при использовании солнечного света (преобразованного в тепло) часто превосходит теоретический предел теплового испарения, что удивляет ученых. Предыдущие опыты с применением солнечного света на гидрогелях показали, что вода испарялась быстрее, чем можно было бы объяснить количеством полученного тепла. Эти превышения были значительными и порой достигали двойного (а иногда и тройного) максимального теоретического значения согласно принципу сохранения энергии.
Ту Яодун и Чен Ган из Массачусетского технологического института – главные авторы нового исследования, опубликованного в журнале. Несмотря на начальную сдержанность, результатам поверили после проведения ряда экспериментов. На солнечном симуляторе были проведены испытания, которые подтвердили данное явление. — замечает Чен. После этого специалисты выдвинули предположение: свет при взаимодействии с границей раздела поверхности воды и воздуха может без использования тепла непосредственно генерировать испарение благодаря процессу фотонного расщепления молекул. Такое (недавно открытое) фотомолекулярное испарение даже более эффективно, чем тепловое.
Водные молекулы, разлагаемые светом.
Исследователи Массачусетского технологического института, подтвердив правильность своих предположений, провели эксперимент. Гидрогель, предварительно увлажненный водой, подвергался воздействию различных длин волн. Испарение измерялось с помощью контейнера над ультрачувствительными весами. Температура поверхности также контролировалась. Длина световых волн тщательно регулировалась, чтобы избежать чрезмерного нагрева, который мог бы повлиять на результаты.
Анализ показал, что вода испаряется намного быстрее, чем можно было бы ожидать от тепла. Как и предполагалось, процесс происходил на границе раздела между водой и воздухом. Скорость испарения зависела от длины волны, достигая максимума при зелёном свете. Такая зависимость от цвета подтверждает гипотезу о том, что тепловая энергия оказывает меньшее влияние на испарение, чем фотонная энергия, которая разрушает молекулы воды.
Во втором эксперименте исследователи воспроизвели испарение с той же конфигурацией нагрева (то есть с тем же количеством тепла), но использовали электричество для нагрева материала, а эксперимент проводили в темноте. Результат: скорость испарения не превысила теоретического теплового предела, в отличие от первого эксперимента (испарение под действием света). Это подтверждает ключевую роль света в естественном процессе испарения.
Несмотря на то что вода и гидрогель поглощают мало света, вместе они становятся мощными поглотителями фотонов. Такое сочетание позволяет материалу максимально использовать энергию фотонов без специальных поглощающих красителей.
Полученные результаты, касающиеся гидрогелей, могут быть применимы к поверхности океанов, каплям воды в облаках и тумане. Это требует учёта процесса при моделировании климата для улучшения точности.
Использование данного метода в промышленных процессах очистки воды может стать альтернативой этапу предварительного преобразования солнечного света в тепло. Стандартный процесс опреснения включает два этапа: испарение воды и конденсацию паров. Благодаря этому открытию… Эффективность на стадии испарения может быть весьма высокой. — считает Ту. По данным исследователей, применение фотомолекулярного процесса испарения позволяет повысить эффективность опреснения воды на 300% и более. Это может способствовать появлению доступных по цене устройств для пресной воды. «, — говорит Чен.
Сейчас термическое испарение позволяет получать 1,5 килограмма пресной воды из одного кубического метра соленой воды. Команда MIT в ближайшем времени проведет исследования по увеличению этого показателя с помощью фотомолекулярного эффекта и применит его для моделирования климата. Эффект может быть полезен для процессов испарительного охлаждения.