Isparavanje se dešava svuda oko nas sve vreme, od znoja koji hladi naša tela do rose koja sagoreva na jutarnjem suncu. Ali naučnom razumevanju ovog sveprisutnog procesa možda je sve ovo vreme nedostajao deo.
Poslednjih godina, neki istraživači su bili zbunjeni kada su otkrili da voda u njihovim eksperimentima, koja je držana u materijalu sličnom sunđeru poznatom kao hidrogel, isparava većom brzinom nego što se može objasniti količinom toplote ili toplotne energije , da je voda primala. Višak je bio značajan — udvostručenje, ili čak utrostručenje ili više, teorijske maksimalne stope.
Nakon izvođenja serije novih eksperimenata i simulacija, i preispitivanja nekih od rezultata različitih grupa koje su tvrdile da su premašile termičku granicu, tim istraživača sa MIT-a došao je do zapanjujućeg zaključka: Pod određenim uslovima, na interfejsu gde voda susreće se sa vazduhom, svetlost može direktno dovesti do isparavanja bez potrebe za toplotom, a zapravo to čini čak i efikasnije od toplote. U ovim eksperimentima, voda je držana u hidrogelnom materijalu, ali istraživači sugerišu da se taj fenomen može pojaviti i pod drugim uslovima.
Nalazi su objavljeni ove nedelje u članku u PNAS-u.
Fenomen bi mogao igrati ulogu u formiranju i evoluciji magle i oblaka, i stoga bi bilo važno da se ugradi u klimatske modele kako bi se poboljšala njihova tačnost, kažu istraživači. Takođe bi mogao igrati važnu ulogu u mnogim industrijskim procesima kao što je desalinizacija vode na solarni pogon, što bi možda omogućilo alternativu koraku pretvaranja sunčeve svetlosti u toplotu.
Nova otkrića su iznenađena jer sama voda ne apsorbuje svetlost u bilo kom značajnom stepenu. Zato možete jasno da vidite kroz mnogo stopa čiste vode do površine ispod. Dakle, kada je tim u početku počeo da istražuje proces sunčevog isparavanja za desalinizaciju, prvo su stavili čestice crnog materijala koji upija svetlost u posudu sa vodom kako bi pomogli da se sunčeva svetlost pretvori u toplotu. Oblaci bele kondenzacije na staklu su voda koja se isparava iz hidrogela koristeći zeleno svetlo, bez toplote. Zasluge: Iaodong Tu et al
Zatim je tim naišao na rad druge grupe koja je postigla brzinu isparavanja dvostruko veću od termičke granice – što je najveća moguća količina isparavanja koja se može desiti za dati unos toplote, na osnovu osnovnih fizičkih principa kao što je očuvanje energije. U ovim eksperimentima je voda bila vezana u hidrogel. Iako su u početku bili skeptični, Čen i Tu su započeli sopstvene eksperimente sa hidrogelovima, uključujući i deo materijala iz druge grupe.
„Testirali smo ga pod našim solarnim simulatorom i funkcionisalo je“, potvrđujući neobično visoku stopu isparavanja, kaže Čen. „Dakle, sada smo im poverovali. Čen i Tu su zatim počeli da prave i testiraju sopstvene hidrogelove.
Počeli su da sumnjaju da je prekomerno isparavanje izazvano samom svetlošću – da fotoni svetlosti zapravo okidaju snopove molekula vode sa površine vode. Ovaj efekat bi se desio samo na graničnom sloju između vode i vazduha, na površini hidrogelnog materijala – a možda i na površini mora ili na površini kapljica u oblacima ili magli.
U laboratoriji su pratili površinu hidrogela, matrice nalik JELL-O koja se uglavnom sastoji od vode vezane rešetkom tankih membrana poput sunđera. Izmerili su njegove odgovore na simuliranu sunčevu svetlost sa precizno kontrolisanim talasnim dužinama.
Istraživači su podvrgli površinu vode različitim bojama svetlosti u nizu i izmerili brzinu isparavanja. To su uradili tako što su na vagu postavili posudu sa hidrogelom napunjenim vodom i direktno izmerili količinu mase izgubljene isparavanjem, kao i praćenjem temperature iznad površine hidrogela. Svetla su bila zaštićena kako bi se sprečilo da unesu dodatnu toplotu. Istraživači su otkrili da je efekat varirao u zavisnosti od boje i dostigao vrhunac na određenoj talasnoj dužini zelenog svetla. Takva zavisnost od boje nema nikakve veze sa toplotom, pa podržava ideju da je sama svetlost ta koja izaziva bar deo isparavanja.
Istraživači su pokušali da dupliraju posmatranu brzinu isparavanja sa istim podešavanjem, ali koristeći električnu energiju za zagrevanje materijala, a bez svetlosti. Iako je toplotni unos bio isti kao u drugom testu, količina vode koja je isparila nikada nije premašila termičku granicu. Međutim, to je uradio kada je simulirana sunčeva svetlost bila uključena, potvrđujući da je svetlost bila uzrok dodatnog isparavanja.
Iako sama voda ne apsorbuje mnogo svetlosti, kao ni materijal hidrogela, kada se ova dva spoje, oni postaju jaki apsorberi, kaže Čen. To omogućava materijalu da efikasno iskoristi energiju solarnih fotona i premaši termičku granicu, bez potrebe za bilo kakvim tamnim bojama za apsorpciju.
Nakon što su otkrili ovaj efekat, koji su nazvali fotomolekularnim efektom, istraživači sada rade na tome kako da ga primene na potrebe stvarnog sveta. Oni planiraju da prouče upotrebu ovog fenomena za poboljšanje efikasnosti sistema za desalinizaciju na solarni pogon i da istraže efekte ovog fenomena na modeliranje klimatskih promena.
Tu objašnjava da u standardnim procesima desalinizacije „obično ima dva koraka: prvo isparavamo vodu u paru, a zatim moramo da kondenzujemo paru da bismo je pretvorili u slatku vodu“. Sa ovim otkrićem, kaže on, potencijalno „možemo postići visoku efikasnost na strani isparavanja.“ Takođe bi se moglo pokazati da ovaj proces ima primenu u procesima koji zahtevaju sušenje materijala.
Čen kaže da u principu misli da je moguće povećati granicu vode proizvedene solarnom desalinizacijom, koja trenutno iznosi 1,5 kilograma po kvadratnom metru, čak tri ili četiri puta koristeći ovaj pristup zasnovan na svetlosti. „Ovo bi potencijalno moglo zaista dovesti do jeftine desalinizacije“, kaže on.
Tu dodaje da bi se ovaj fenomen potencijalno mogao iskoristiti iu procesima hlađenja isparavanjem, koristeći promenu faze da bi se obezbedio visoko efikasan solarni sistem hlađenja.
U međuvremenu, istraživači takođe blisko sarađuju sa drugim grupama koje pokušavaju da repliciraju nalaze, nadajući se da će prevazići skepticizam koji se suočio sa neočekivanim nalazima i hipotezom koja se postavlja da bi ih objasnila.
Istraživački tim je takođe uključivao Jiavei Zhou, Shaoting Lin, Mohammed Alshrah i Ksuanhe Zhao, svi u MIT-ovom odeljenju za mašinstvo.
