I ricercatori hanno scoperto un meccanismo naturale di evaporazione dell’acqua indipendente dal calore

È noto che l’acqua evapora in presenza di calore. Tuttavia, gli esperimenti condotti utilizzando idrogel hanno dimostrato che i tassi di evaporazione talvolta superavano il limite teorico. Evapora fino a tre volte più acqua di quanto consentito dalla quantità di calore disponibile. I ricercatori del MIT ora offrono una spiegazione per questo fenomeno. Hanno dimostrato un meccanismo di evaporazione indipendente dal calore, causato solo dalla luce.

L’evaporazione avviene sulla superficie di un liquido quando si trasforma in una fase gassosa. Le molecole vicine alla superficie assorbono energia, forniscono calore, superano la pressione del vapore e fuoriescono come gas. È un processo fondamentale nel ciclo dell’acqua: il calore del sole fa evaporare l’acqua dagli oceani e da tutte le fonti d’acqua sulla Terra. È anche attraverso questo processo che i vestiti si asciugano o il sudore aiuta a rinfrescare il nostro corpo. Sembra che l’energia termica non sia l’unica coinvolta in questo meccanismo. Infatti, negli ultimi anni, alcuni ricercatori hanno scoperto che l’acqua negli idrogel evapora a una velocità maggiore del previsto. Hanno quindi riportato un “doppio, addirittura triplo, o più” del tasso di evaporazione massimo teorico.

Evaporazione più efficiente dell’energia termica

Un team del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha studiato queste improvvise violazioni del limite termico. Ciò determina il tasso massimo di evaporazione per un dato apporto di calore. I ricercatori sono rimasti particolarmente incuriositi dal lavoro di un altro team che, utilizzando un idrogel, ha ottenuto un tasso di evaporazione doppio rispetto al limite termico. Quindi hanno condotto i propri esperimenti, utilizzando un pezzo del materiale di quest’altro gruppo.

I loro risultati hanno confermato il tasso di evaporazione eccezionalmente elevato. Quindi sospettarono che la luce stessa potesse essere la causa di questa evaporazione eccessiva. ” Assumiamo che un fotone possa separare i gruppi d’acqua dalle interfacce del vapore acqueo e chiamiamo questo processo effetto fotomolecolare, per analogia con il noto effetto fotoelettrico “, loro scrivono Nella rivista Con le persone.

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All’interfaccia tra aria e acqua viene riflessa una piccola parte della luce visibile. La maggior parte entra nell’acqua e si diffonde in linea retta. Per questo motivo a volte è possibile vedere chiaramente fino a diversi metri sotto la superficie. La profondità visibile dipende dalla “qualità” dell’acqua. La luce interagisce con gli elettroni e gli ioni dell’acqua, ma anche con altre particelle (plancton, limo, ecc.). Quindi perde più o meno energia per assorbimento.

Una serie di nuovi esperimenti e simulazioni hanno confermato la nuova teoria. In determinate condizioni, senza calore, la luce visibile può far evaporare direttamente l’acqua. Può essere più efficiente dell’energia termica! Questi esperimenti hanno coinvolto un idrogel, ma i ricercatori ritengono che l’evaporazione fotomolecolare possa essere diffusa in natura.

Le molecole d’acqua sono separate da fotoni

I loro esperimenti prevedevano l’osservazione della superficie di un idrogel posto sotto lampade che simulavano diverse lunghezze d’onda della luce solare. Il contenitore dell’idrogel riempito con acqua è stato posto su una bilancia, in modo che la massa persa per evaporazione potesse essere misurata direttamente. Il team ha anche monitorato la temperatura sopra la superficie. Le lampadine sono inoltre protette per evitare che siano esposte a ulteriore calore.

Le misurazioni hanno mostrato che il tasso di evaporazione variava a seconda del colore. Ha raggiunto il massimo alla lunghezza d’onda di 520 nm, che corrisponde alla luce verde. Questa dipendenza dalla lunghezza d’onda, senza bisogno di calore, conferma che la luce stessa contribuisce in parte all’evaporazione. I ricercatori spiegano che i fotoni nello spettro visibile possono separare le molecole d’acqua sulla superficie a causa dei grandi gradienti del campo elettrico e della forza del quadrupolo applicata alle molecole.

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I ricercatori hanno poi provato a riprodurre il tasso di evaporazione derivante dal riscaldamento del materiale (con riscaldamento elettrico). Si sono assicurati che l’apporto di calore fosse lo stesso del primo test. Tuttavia, la quantità di acqua evaporata non ha mai superato il limite termico. Tuttavia, quando hanno acceso la lampada contemporaneamente, il limite è stato superato. Quindi la luce è in realtà la causa dell’evaporazione eccessiva.

“ Sebbene l’acqua stessa non assorba molta luce, e nemmeno l’idrogel stesso, quando i due si combinano diventano potenti assorbitori. », Gang Chen spiega, professore di ingegneria meccanica al MIT e coautore dello studio. Questa combinazione può migliorare significativamente gli attuali sistemi di desalinizzazione e disidratazione alimentati a energia solare.

Possibilità di migliorare le procedure di dissalazione dell’acqua e i sistemi di raffreddamento

Questo effetto fotomolecolare potrebbe effettivamente portare a una nuova tecnologia – e meno costosa – per la desalinizzazione dell’acqua di mare, contribuendo così alla lotta contro lo stress idrico. ” IODi solito ci sono due passaggi: Dottor’Per prima cosa facciamo evaporare l’acqua e la trasformiamo in vapore, quindi dobbiamo condensare il vapore per liquefarlo in acqua dolce. “, spiega Yaodong Tu, ricercatore post-dottorato al MIT e coautore dello studio. Con un migliore utilizzo della luce, il processo potrebbe essere più efficiente e meno costoso (in termini di costi energetici).

La procedura standard per la desalinizzazione solare consente di risparmiare al massimo circa 1,5 chilogrammi per metro quadrato. Secondo il professor Chen, un approccio basato sulla luce potrebbe aumentare questo valore di tre o quattro volte. ” Ciò potrebbe potenzialmente portare a una desalinizzazione dell’acqua a basso costo “, ha annunciato.

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Il processo può trovare applicazioni anche in lavorazioni che richiedono l’essiccazione del materiale. I ricercatori aggiungono che l’effetto fotomolecolare può essere sfruttato nei sistemi di raffreddamento evaporativo. Converte l’acqua liquida in vapore utilizzando l’energia termica presente nell’aria, con conseguente abbassamento della temperatura.

Ma non è tutto ! Il meccanismo di evaporazione indotta dalla luce può svolgere un ruolo importante nella crescita delle piante e “ Ha un impatto significativo sul ciclo dell’acqua sulla Terra »La squadra nota. Può infine influenzare la formazione e lo sviluppo della nebbia e delle nubi. Di conseguenza, i ricercatori ritengono che dovrebbe essere preso in considerazione nei modelli climatici. Altri esperimenti sono attualmente in corso per riprodurre e confermare questi risultati e comprendere tutte le implicazioni del fenomeno.