Neues Verständnis der Verdunstung könnte Photonen ermöglichen, Entsalzungsprozesse durch den ‘photomolekularen Effekt’ zu verbessern

Bis vor kurzem gab es nur wenige allgemein anerkannte Variablen, die die Verdunstung von Wasser beeinflussen können – den Prozess, bei dem Wasser von flüssig zu gasförmig übergeht.  Allerdings wird neue Forschung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) dies auf den Kopf stellen und auf ein neues Verständnis hinweisen, wie einfache Photonen (Licht) eine überproportionale Rolle in diesem Prozess spielen können.  In diesem Zusammenhang haben Forscher herausgefunden, dass Photonen Wasser sowohl zusammen mit als auch ohne Wärme verdampfen können.

Vorhandene Variablen

Bevor wir darauf eingehen, warum diese Entdeckung von Bedeutung ist, nehmen Sie sich einen Moment Zeit, um die vorherige Liste von Variablen, die eine Rolle bei der Verdunstung spielen, zu auffrischen.

1. Wärme: Die Hauptursache für Verdunstung ist Wärme. Wassermoleküle bewegen sich ständig, und wenn sie Wärmeenergie aufnehmen, erhöht sich ihre Bewegung. Sobald die Energie ausreicht, um die zwischenmolekularen Kräfte zu überwinden, die die Moleküle im flüssigen Zustand zusammenhalten, können sie als Dampf in die Luft entweichen.
2. Oberfläche: Die Verdunstungsrate hängt ebenfalls von der Oberfläche des Wassers ab. Eine größere Oberfläche ermöglicht, dass mehr Moleküle der Luft ausgesetzt werden, wo sie verdampfen können.
3. Luftfeuchtigkeit: Die bereits in der Luft vorhandene Menge an Wasserdampf beeinflusst die Verdunstung. Ist die Luft bereits mit Wasserdampf gesättigt, verläuft die Verdunstung langsamer. Das liegt daran, dass bei höherer Luftfeuchtigkeit die Verdunstungsrate sinkt, weil die Luft weniger Kapazität hat, weitere Wassermoleküle aufzunehmen.
4. Luftbewegung: Wind oder Luftbewegung kann den entstehenden Wasserdampf wegtragen, die Luftfeuchtigkeit direkt über dem Wasser reduzieren und so mehr Wasserverdunstung ermöglichen.
5. Druck: Der atmosphärische Druck beeinflusst ebenfalls die Verdunstung. Bei niedrigerem atmosphärischem Druck siedet Wasser bei einer niedrigeren Temperatur und verdunstet schneller. Hoher atmosphärischer Druck kann die Verdunstung hemmen.
6. Wassertemperatur: Neben externen Wärmequellen ist auch die Temperatur des Wassers selbst ein Faktor. Warmes Wasser verdunstet schneller, weil seine Moleküle im Durchschnitt mehr Energie besitzen.

Im Wesentlichen verdunstet Wasser, wenn seine Moleküle genug Energie besitzen, um sich von der flüssigen Phase zu lösen und zu Wasserdampf zu werden. Dieser Prozess wird von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck, Wind und den physikalischen Eigenschaften des Gewässers selbst beeinflusst.  Nun können wir die Bestrahlung mit Photonen in die Liste aufnehmen.

Nicht zu verwechseln

Verdampfung: Ein allgemeiner Begriff, der sowohl Verdunstung als auch Sieden umfasst, bei dem die Flüssigkeit bei ihrem Siedepunkt im gesamten Volumen in Dampf übergeht.

Kondensation: Der umgekehrte Prozess der Verdunstung, bei dem ein Gas abgekühlt wird und in die flüssige Phase übergeht.

Verdunstung hingegen ist eine Form der Verdampfung, die an der Oberfläche einer Flüssigkeit unterhalb ihres Siedepunktes auftritt.

Wie wurde es erreicht?

Wie haben die MIT-Forscher also entdeckt, dass Photonen zur Liste der mit Verdunstung verbundenen Variablen hinzugefügt werden können? Die Ergebnisse des Teams wurden durch eine Reihe von Experimenten und Simulationen erzielt, die das Verdunstungsverhalten von Wasser in einem Hydrogel untersuchten. Diese Arbeit wurde zunächst unternommen, um frühere Experimente zu verstehen und zu bestätigen, die Ergebnisse lieferten, bei denen die Verdunstungsraten von Wasser die erwartete thermische Grenze überschritten – die maximale Verdunstungsmenge, die bei einer gegebenen Wärmezufuhr möglich ist.
Um diese Ergebnisse zu reproduzieren, nutzten die Forscher einen „Solar-Simulator“.  Dabei wurden gesättigte Hydrogele verschiedenen Lichtwellenlängen ohne Wärmezufuhr ausgesetzt. Interessanterweise zeigten die Ergebnisse, dass trotz fehlender Wärme ein messbarer Massenverlust über die Zeit auftrat, wobei die deutlichsten Unterschiede bei grünem Licht beobachtet wurden.  Da die Reaktion unabhängig von thermischen Effekten war, bestätigte dies, dass Licht und nicht Wärme die Ursache der Verdunstung ist.
Letztendlich entdeckten die Forscher, dass entgegen den konventionellen Erwartungen eine Kombination aus Wasser und Hydrogel die Energie der Photonen nutzbar macht, um Verdunstung über die bekannten thermischen Grenzen hinaus zu treiben.  Der Prozess wird nun als „photomolekularer Effekt“ bezeichnet.

Warum ist das wichtig?

Diese Entdeckung des photomolekularen Effekts könnte mehrere Branchen und Umweltwissenschaften revolutionieren. Sie könnte sich auf Systeme zur Speicherung und Rückgewinnung erneuerbarer Energie erstrecken, bei denen kontrollierte Verdunstungsraten entscheidend sind.  Beispielsweise könnte dies zur Entwicklung neuer Materialien oder Oberflächen führen, die darauf ausgelegt sind, die Wasserverdunstung für die Energiespeicherung in trockenen Klimazonen zu maximieren.
In der Landwirtschaft könnte dieses Prinzip genutzt werden, um effizientere Bewässerungssysteme zu entwickeln, die den Wasserverlust minimieren, indem sie die Exposition gegenüber bestimmten Wellenlängen einschränken, wodurch Wasser gespart und gleichzeitig das Pflanzenwachstum erhalten wird.
Im Bereich der Meteorologie könnte das Verständnis des photomolekularen Effekts Wettervorhersagemodelle verbessern, indem es eine genauere Darstellung der Dynamik des Wasserkreislaufs liefert.
Zusätzlich könnten die Pharma- und Lebensmittelindustrie, die häufig auf präzise Trocknungsprozesse angewiesen sind, Verbesserungen in der Effizienz und Kontrolle der Feuchtigkeitsentfernung aus Produkten erfahren.
Schließlich könnte diese Entdeckung in der Stadtplanung und der Entwicklung nachhaltiger Architektur innovative Kühlsysteme inspirieren, die Solarenergie effizienter nutzen, die Abhängigkeit von herkömmlicher Klimatisierung verringern und zu energieeinsparenden Gebäudekonzepten beitragen.

Erste, die von Photonen profitieren

Obwohl eine Vielzahl von Branchen durch dieses neue Verständnis der Verdunstung Prozessoptimierungen erfahren könnte, glauben die Forscher hinter dieser Entdeckung, dass das offensichtlichste Beispiel diejenigen sind, die an der solarbetriebenen Entsalzung von Salzwasser beteiligt sind.
Entsalzung ist einfach der Prozess, bei dem Salz und Mineralien aus Wasser entfernt werden, sodass es sowohl für den Konsum als auch für die Bewässerung geeignet ist.  Mit dem Aufstieg erneuerbarer Energien wird dieser Prozess zunehmend durch Solarenergie betrieben.  Im Folgenden sind Unternehmen aufgeführt, die an der solarbetriebenen Entsalzung beteiligt sind und bald von den oben diskutierten Erkenntnissen profitieren könnten.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): Mit Sitz auf den Cayman Islands hat Consolidated Water seit seiner Gründung im Jahr 1973 ein Wachstum erlebt und ist heute ein multinationales Unternehmen, das sich auf Meerwasserentsalzungsanlagen spezialisiert hat.

https://youtu.be/RPhuseNYN7M
Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels wies Consolidated Water die folgenden Kennzahlen auf.

Marktkapitalisierung:$465,675,764

Forward P/E 1 Jahr:  20.06

Gewinn je Aktie (EPS): N/A

Solar Water Plc: Dieses in Großbritannien ansässige Unternehmen hat eine Solardom-Technologie entwickelt, die zur Entsalzung von Meerwasser gedacht ist und insbesondere Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung und knappen Süßwasserressourcen anspricht.

Abengoa: Ein spanisches multinationales Unternehmen, das an der Entwicklung groß angelegter solarbetriebener Entsalzungsanlagen beteiligt war, insbesondere in Regionen wie dem Nahen Osten und Nordafrika.

Trotz des Umfangs seiner Aktivitäten steht Abengoa seit mehreren Jahren kurz vor dem Bankrott.  Neue Prozesse, die das Potenzial haben, die Betriebseffizienz erheblich zu steigern, könnten entscheidend für das Überleben sein.

Diese Unternehmen sind in verschiedenen Teilen der Welt aktiv und decken den Bedarf an Süßwasser in trockenen Regionen und Gebieten mit begrenztem Zugang zu sauberem Wasser – ein Bedarf, der mit der Zeit weiter zunehmen wird.

Abschließende Gedanken

Obwohl eine solche Entdeckung auf den ersten Blick banal erscheinen mag, ist sie alles andere als das.  Sie zeigt nicht nur, wie begrenzt unser Verständnis von Konzepte und Prozesse ist, die lange als gemeistert galten, sondern birgt auch das Potenzial für weit verbreitete Anwendungen.
Innovative und zukunftsorientierte Unternehmen sind auf wissenschaftliche Fortschritte wie diesen angewiesen, um Lösungen zu entwickeln und anzubieten, die neue Fähigkeiten und Effizienz nutzen.  Jetzt müssen Unternehmen wie Consolidated Water, Veolia und Solar Water PLC sich anpassen und das Potenzial nutzen.