Ny forståelse af fordampning kan se fotoner forbedre afsaltningsprocesser gennem ‘fotomolekylær effekt’

Indtil for nylig var der kun få accepterede variable, der kunne påvirke fordampning af vand – processen hvor vand overgår fra væske til gas.  Men ny forskning fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) er ved at vende dette på hovedet, idet den peger på en ny forståelse af, hvordan simple fotoner (lys) kan spille en overdrevet rolle i processen.  Med dette i tankerne har forskerne fundet, at fotoner kan fordampe vand både sammen med og i fravær af varme.

Forudgående variabler

Før du dykker ned i hvorfor denne opdagelse betyder noget, så tag et øjeblik til at genopfriske den tidligere liste over variable, der spiller en rolle i fordampning.

1. Varme: Den primære årsag til fordampning er varme. Vandmolekyler er altid i bevægelse, og når de får varmeenergi, øges deres bevægelse. Når energien er tilstrækkelig til at overvinde de intermolekylære kræfter, der holder molekylerne sammen i væsken, kan de flygte ind i luften som damp.
2. Overfladeareal: Hastigheden af fordampning afhænger også af vandets overfladeareal. Et større overfladeareal tillader flere molekyler at blive udsat for luften, hvor de kan fordampe.
3. Luftfugtighed: Mængden af vanddamp, der allerede er i luften, påvirker fordampning. Hvis luften allerede er mættet med vanddamp, vil fordampningen være langsommere. Dette skyldes, at jo højere luftfugtighed, jo lavere er fordampningshastigheden på grund af den reducerede kapacitet i luften til at modtage flere vandmolekyler.
4. Luftbevægelse: Vind eller luftbevægelse kan bære vanddamp væk, efterhånden som den dannes, hvilket reducerer fugtigheden lige over vandet og tillader mere vand at fordampe.
5. Tryk: Atmosfærisk tryk påvirker også fordampning. Når det atmosfæriske tryk er lavere, koger vand ved en lavere temperatur og fordamper hurtigere. Højt atmosfærisk tryk kan hæmme fordampning.
6. Vandets temperatur: Ud over eksterne varmekilder er vandets egen temperatur en faktor. Varmere vand fordamper hurtigere, fordi dets molekyler i gennemsnit har mere energi.

Essentielt fordamper vand, når dets molekyler har nok energi til at bryde fri fra væskefasen og blive til vanddamp. Denne proces påvirkes af temperatur, luftfugtighed, tryk, vind og de fysiske egenskaber ved vandkroppen selv.  Nu kan vi tilføje eksponering for fotoner på listen.

Ikke at forveksle

Det er også vigtigt at forstå forskellen mellem fordampning og de følgende processer.

Fordampning: Et generelt begreb, der omfatter fordampning men også omfatter kogning, hvor væsken bliver til damp ved sit kogepunkt gennem hele væskens volumen.

Kondensation: Den omvendte proces af fordampning, der involverer afkøling af en gas, hvilket resulterer i dens overgang til en væskefase.

Fordampning, derimod, er en type fordampning, der forekommer ved væskens overflade under dens kogepunkt.

Hvordan blev det opnået?

Så hvordan opdagede MIT-forskerne, at fotoner kan tilføjes til listen over variable, der er forbundet med fordampning? Holdets fund blev opnået gennem en række eksperimenter og simulationer, der fokuserede på vandets fordampningsadfærd, når det var indeholdt i en hydrogel. Dette arbejde blev først påbegyndt, da holdet ønskede at forstå og bekræfte tidligere eksperimenter, der gav resultater, hvor vandfordampningsrater oversteg den forventede termiske grænse – den maksimale mængde fordampning, der er mulig, når en given mængde varme påføres.

For at genskabe disse resultater anvendte forskerne en ‘solsimulator’.  Her blev mættede hydrogeler udsat for forskellige bølgelængder af lys i fravær af varme. Interessant nok viste resultaterne, at på trods af ingen påvirkning fra varme, forekom et målbare massetab over tid, med de mest udtalte forskelle, når grønt lys blev brugt.  Da responsen var uafhængig af termiske effekter, bekræftede det, at lys, ikke varme, var årsagen til fordampning.

Til sidst opdagede forskerne, at i modsætning til konventionelle forventninger, gjorde en kombination af vand og hydrogel det muligt at udnytte energien fra fotoner til at drive fordampning ud over kendte termiske grænser.  Processen kaldes nu den ‘fotomolekylære effekt’.

Hvorfor er det vigtigt?

Denne opdagelse af den fotomolekylære effekt kan revolutionere flere industrier og miljøvidenskaber. De kan udvides til at omfatte lagring og genvinding af vedvarende energi, hvor kontrollerede fordampningsrater er kritiske.  For eksempel kunne dette føre til udvikling af nye materialer eller overflader designet til at maksimere vandfordampning for energilagring i tørre klimaer.

I landbruget kunne dette princip anvendes til at udvikle mere effektive vandingssystemer, der minimerer vandtab ved at begrænse eksponering for bestemte bølgelængder, og dermed spare vand, mens plantens vækst opretholdes.

Inden for meteorologi kunne forståelsen af den fotomolekylære effekt forbedre vejrudsigtsmodeller ved at give en mere præcis repræsentation af vandkredsløbets dynamik.

Derudover kunne de farmaceutiske og fødevareindustrier, som ofte er afhængige af præcise tørreprocesser, se forbedringer i effektiviteten og kontrollen af fugtfjernelse fra produkter.

Endelig, i byplanlægning og udvikling af bæredygtig arkitektur, kan denne opdagelse inspirere innovative kølesystemer, der bruger solenergi mere effektivt, reducerer afhængigheden af traditionelle klimaanlæg og bidrager til energibesparende bygningdesign.

Første til at drage fordel af fotoner

Selvom der er en bred vifte af industrier, der kan se procesoptimeringer gennem denne nye forståelse af fordampning, mener forskerne bag opdagelsen, at det mest åbenlyse eksempel vil være dem, der er involveret i solafsaltningsprocesser af saltvand.

Afvanding er simpelthen processen, hvor salt og mineraler fjernes fra vand, så det bliver egnet til både forbrug og vanding.  Med stigningen i vedvarende energikilder bliver denne proces i stigende grad drevet af solenergi.  Følgende er virksomheder, der er involveret i solafsalting, og som snart kan drage fordel af de ovennævnte fund.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): Baseret på Caymanøerne har Consolidated Water vokset siden grundlæggelsen i 1973 til at blive et multinationalt selskab, der specialiserer sig i anlæg til afsaltning af havvand.

På tidspunktet for skrivningen fremviste Consolidated Water følgende måltal.

Markedsværdi:$465,675,764

Forventet P/E 1 år:  20.06

Indtjening pr. aktie (EPS): N/A

Solar Water Plc: Dette britiske selskab har udviklet en solkuppel-teknologi, der er beregnet til at afsalte havvand, især rettet mod regioner med høj solindstråling og knappe ferskvandsressourcer.

Abengoa: Et spansk multinationalt selskab, der har været involveret i udviklingen af store soldrevne afsaltningsanlæg, især i områder som Mellemøsten og Nordafrika.

På trods af omfanget af deres aktiviteter har Abengoa været på randen af konkurs i flere år.  Nye processer, der har potentiale til at øge driftsmæssig effektivitet betydeligt, kan være nøglen til overlevelse.

Disse virksomheder er aktive i forskellige dele af verden og imødekommer ferskvandsbehovet i tørre regioner og områder med begrænset adgang til rent vand – et behov, der kun vil vokse over tid.

Afsluttende tanker

Selvom en sådan opdagelse ved første øjekast kan synes triviel, er den alt andet end det.  Den viser ikke kun, hvor begrænset vores forståelse er af konceptet og processerne, der længe har været antaget som mestrede, men den rummer også potentialet for udbredte anvendelser.

Innovative og fremtidsorienterede virksomheder er afhængige af videnskabelige fremskridt som dette for at bygge videre på og tilbyde løsninger, der udnytter nye kapaciteter og effektivitet.  Nu skal virksomheder som Consolidated Water, Veolia og Solar Water PLC tilpasse sig og udnytte det.