Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) предположили, что свет может испарять воду более эффективно, чем тепло, используя процесс, названный ими "фотомолекулярным эффектом". Открытие этого удивительного явления, которое произвело революцию в нашем понимании испарения, может привести к усовершенствованию систем опреснения воды и созданию более точных климатических моделей.
Согласно нашим современным представлениям, испарение происходит, когда молекулы воды вблизи поверхности жидкости поглощают достаточно энергии, чтобы улетучиться в воздух в виде водяного пара. Ранее считалось, что в природе этот процесс происходит исключительно за счет тепла, выделяемого солнечным светом, однако исследователи из Массачусетского технологического института утверждают, что до сих пор мы упускали из виду еще один важный фактор.
Свет играет важную роль в процессе испарения, что удивительно, если учесть, что вода поглощает очень мало солнечного света в видимом спектре. Это слабое поглощение объясняет, почему мы можем видеть сквозь нее даже на глубине нескольких метров — когда она достаточно прозрачна. Это привело к тому, что ученые недооценивают значение света во многих промышленных процессах. Например, в процессах опреснения воды поглощающие материалы, такие как сажа, обычно используются для преобразования света в тепло и испарения через него воды.
Однако скорость испарения на основе солнечного света (преобразованного в тепло) часто превышает теоретический предел теплового испарения, что интригует ученых. Предыдущие эксперименты с использованием солнечного света (нанесенного на гидрогели) показали, что вода испарялась с большей скоростью, чем можно было объяснить количеством полученного тепла. Эти превышения были значительными и иногда достигали двойного (а иногда и тройного) максимального теоретического значения — исходя из принципа сохранения энергии.
Яодун Ту и Ган Чен (Массачусетский технологический институт), ведущие авторы нового исследования, опубликованного в журнале , хотя и признались, что поначалу были настроены скептически, в итоге подтвердили эти результаты в ходе нескольких экспериментов. "Мы провели испытания на нашем солнечном симуляторе, что позволило нам подтвердить это явление", — говорит Чен. Затем специалисты выдвинули следующую гипотезу: когда свет взаимодействует с границей раздела поверхности воды и воздуха, он может непосредственно генерировать испарение без использования тепла, благодаря процессу фотонного расщепления молекул. Это (недавно открытое) фотомолекулярное испарение даже более эффективно, чем тепловое.
Молекулы воды, расщепленные фотонной энергией
Убедившись в правильности своих гипотез, исследователи Массачусетского технологического института провели эксперимент, в ходе которого гидрогель, предварительно пропитанный водой, был облучен целым рядом длин волн. Испарение измерялось путем размещения контейнера над ультрачувствительными весами. Также измерялась температура поверхности. Световые волны контролировались, чтобы не допустить чрезмерного нагревания, которое могло бы исказить результаты.
После анализа было обнаружено, что вода испаряется гораздо быстрее, чем это можно было бы сделать с помощью тепла. Как и предполагалось, процесс происходил на границе раздела поверхности воды и воздуха. Более того, скорость испарения зависела от длины волны, достигая максимума в зеленом свете. Такая зависимость от цвета подтверждает гипотезу о том, что тепловая энергия оказывает гораздо меньшее влияние на испарение, чем фотонная, которая разрушает молекулы воды.
Во втором эксперименте исследователи попытались воспроизвести испарение с той же конфигурацией (т.е. с тем же количеством тепла, что и раньше), но на этот раз для нагрева материала использовали электричество, а сам процесс проводили в темноте (чтобы не искажать эксперимент добавлением света). Результат: скорость испарения ни разу не превысила теоретического теплового предела, в отличие от первого эксперимента (испарение под действием света). Это подтверждает ключевую роль света в естественном процессе испарения. Кроме того, хотя вода и гидрогель поглощают мало света, в совокупности они становятся мощными поглотителями фотонов. Такое сочетание позволяет материалу максимально использовать энергию фотонов без использования специальных поглощающих красителей.
Кроме того, хотя полученные результаты относятся к гидрогелям, исследователи предполагают, что это явление может происходить и на поверхности океанов, а также в капельках воды, образующих облака и туман. Это означает необходимость учета данного процесса при моделировании климата для повышения его точности.
Кроме того, его использование в промышленных процессах опреснения воды может стать альтернативой этапу предварительного преобразования солнечного света в тепло. Стандартный процесс опреснения включает в себя две стадии: испарение воды и конденсацию паров. Благодаря этому открытию "мы потенциально можем достичь высокой эффективности на стадии испарения", — считает Ту. Исследователи подсчитали, что при использовании фотомолекулярного процесса испарения эффективность опреснения воды может быть увеличена в три или даже в четыре раза. "Это может привести к созданию недорогих опреснителей", — говорит Чен.
В настоящее время с помощью термического испарения можно получить 1,5 кг пресной воды на кубический метр соленой воды. В ближайшее время команда MIT проведет исследования по повышению этого показателя с помощью фотомолекулярного эффекта, а также применит его для моделирования климата. Это явление также может быть особенно интересно для процессов испарительного охлаждения.