Nueva comprensión de la evaporación puede ver cómo los fotones mejoran los procesos de desalinización mediante el “efecto fotomolecular”

Hasta hace poco, había algunas variables aceptadas que podían resultar en/afectar la evaporación del agua, el proceso por el cual el agua pasa de líquida a gas.  Sin embargo, una nueva investigación del Massachusetts Institute of Technology (MIT) está a punto de cambiar esto, señalando una nueva comprensión de cómo los simples fotones (luz) pueden desempeñar un papel desproporcionado en el proceso.  Con eso en mente, los investigadores han descubierto que los fotones pueden evaporar agua tanto junto con el calor como en su ausencia.

Variables preexistentes

Antes de profundizar en por qué este descubrimiento es importante, tómese un momento para repasar la lista anterior de variables que influyen en la evaporación.

1. Calor: La causa principal de la evaporación es el calor. Las moléculas de agua están siempre en movimiento, y a medida que ganan energía térmica, su movimiento aumenta. Cuando la energía es suficiente para superar las fuerzas intermoleculares que mantienen las moléculas unidas en el líquido, pueden escapar al aire como vapor.
2. Área de superficie: La velocidad de evaporación también depende del área de superficie del agua. Un área de superficie mayor permite que más moléculas estén expuestas al aire, donde pueden evaporarse.
3. Humedad: La cantidad de vapor de agua ya presente en el aire afecta la evaporación. Si el aire ya está saturado con vapor de agua, la evaporación será más lenta. Esto se debe a que cuanto mayor es la humedad, menor es la velocidad de evaporación debido a la disminución de la capacidad del aire para recibir más moléculas de agua.
4. Movimiento del aire: El viento o el movimiento del aire pueden llevarse el vapor de agua a medida que se forma, reduciendo la humedad justo encima del agua y permitiendo que más agua se evapore.
5. Presión: La presión atmosférica también afecta la evaporación. Cuando la presión atmosférica es más baja, el agua hierve a una temperatura más baja y se evapora más rápido. Una alta presión atmosférica puede inhibir la evaporación.
6. Temperatura del agua: Además de fuentes externas de calor, la temperatura del propio agua es un factor. El agua más cálida se evapora más rápido porque sus moléculas tienen, en promedio, más energía.

Esencialmente, el agua se evapora cuando sus moléculas tienen suficiente energía para liberarse de la fase líquida y convertirse en vapor de agua. Este proceso está influenciado por la temperatura, la humedad, la presión, el viento y las características físicas del cuerpo de agua en sí.  Ahora, podemos añadir la exposición a fotones a la lista.

No confundir

Vaporización: Un término general que incluye la evaporación pero también abarca la ebullición, donde el líquido se transforma en vapor a su punto de ebullición en todo el volumen del líquido.

Condensación: El proceso inverso de la evaporación que implica el enfriamiento de un gas, lo que resulta en su transición a una fase líquida.

La evaporación, por otro lado, es un tipo de vaporización que ocurre en la superficie de un líquido por debajo de su punto de ebullición.

¿Cómo se logró?

Entonces, ¿cómo descubrieron los investigadores del MIT que los fotones pueden añadirse a la lista de variables asociadas con la evaporación? Los hallazgos del equipo se lograron mediante una serie de experimentos y simulaciones centrados en el comportamiento de evaporación del agua cuando está contenida dentro de un hidrogel. Este trabajo se inició cuando el equipo buscó comprender y reafirmar experimentos anteriores que produjeron resultados en los que las tasas de evaporación del agua superaban el límite térmico esperado, es decir, la cantidad máxima de evaporación posible cuando se aplica una determinada cantidad de calor.

Para recrear estos resultados, los investigadores utilizaron un ‘simulador solar’.  Aquí, los hidrogeles saturados fueron expuestos a diversas longitudes de onda de luz en ausencia de calor. Curiosamente, los resultados mostraron que, a pesar de la falta de influencia del calor, se produjo una pérdida de masa medible con el tiempo, siendo las diferencias más pronunciadas cuando se utilizó luz verde.  Al ser la respuesta independiente de los efectos térmicos, se confirmó que la luz, no el calor, era la causa de la evaporación.

Al final, los investigadores descubrieron que, contra las expectativas convencionales, una combinación de agua e hidrogel permitió que la energía de los fotones se aprovechara para impulsar la evaporación más allá de los límites térmicos conocidos.  El proceso ahora se denomina ‘efecto fotomolecular’.

¿Por qué es importante?

Este descubrimiento del efecto fotomolecular podría revolucionar varias industrias y ciencias ambientales. Podría extenderse a sistemas de almacenamiento y recuperación de energía renovable, donde las tasas de evaporación controladas son críticas.  Por ejemplo, esto podría conducir al desarrollo de nuevos materiales o superficies diseñados para maximizar la evaporación del agua para el almacenamiento de energía en climas secos.

En la agricultura, este principio podría usarse para desarrollar sistemas de riego más eficientes que minimicen la pérdida de agua al restringir la exposición a ciertas longitudes de onda, conservando así el agua mientras se mantiene el crecimiento de las plantas.

En el campo de la meteorología, comprender el efecto fotomolecular podría mejorar los modelos de predicción del tiempo al proporcionar una representación más precisa de la dinámica del ciclo del agua.

Además, las industrias farmacéutica y alimentaria, que a menudo dependen de procesos de secado precisos, podrían experimentar mejoras en la eficiencia y el control de la eliminación de humedad de los productos.

Por último, en la planificación urbana y el desarrollo de arquitectura sostenible, este descubrimiento podría inspirar sistemas de refrigeración innovadores que utilicen la energía solar de manera más eficiente, reduciendo la dependencia del aire acondicionado tradicional y contribuyendo a diseños de edificios que ahorren energía.

Los primeros en beneficiarse de los fotones

Aunque existe una gran variedad de industrias que podrían ver mejoradas sus eficiencias de proceso mediante esta nueva comprensión de la evaporación, los investigadores detrás de su descubrimiento creen que el ejemplo más evidente serían aquellos involucrados en la desalinización solar del agua salada.

La desalinización es simplemente el proceso mediante el cual se eliminan la sal y los minerales del agua, haciéndola adecuada tanto para el consumo como para el riego.  Con el auge de las energías renovables, este proceso se alimenta cada vez más con energía solar.  A continuación se presentan las empresas involucradas en la desalinización solar, que pronto podrían beneficiarse de los hallazgos discutidos anteriormente.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): Con sede en las Islas Caimán, Consolidated Water ha crecido desde su fundación en 1973 hasta convertirse en una empresa multinacional especializada en plantas de desalinización de agua de mar.

https://youtu.be/RPhuseNYN7M
Al momento de escribir, Consolidated Water presentaba las siguientes métricas.

Capitalización de mercado:$465,675,764

P/E proyectado 1 año:  20.06

Ganancias por acción (EPS): N/A

Solar Water Plc: Esta empresa con sede en el Reino Unido ha desarrollado una tecnología de cúpula solar destinada a desalinizar agua de mar, enfocándose particularmente en regiones con alta irradiación solar y escasos recursos de agua dulce.
https://youtu.be/UtL1AT8x8F4

Abengoa: Una corporación multinacional española que ha participado en el desarrollo de plantas de desalinización a gran escala impulsadas por energía solar, particularmente en áreas como Oriente Medio y el Norte de África.

A pesar del alcance de sus operaciones, Abengoa ha estado al borde de la bancarrota durante varios años.  Los nuevos procesos que tienen el potencial de aumentar significativamente la eficiencia operativa podrían ser clave para su supervivencia.

Estas empresas están activas en diversas partes del mundo, atendiendo las necesidades de agua dulce de regiones áridas y áreas con acceso limitado a agua limpia, una necesidad que solo seguirá creciendo con el tiempo.

Reflexiones finales

Aunque tal descubrimiento pueda parecer mundano a primera vista, no lo es en absoluto.  No solo muestra cuán limitada es nuestra comprensión de conceptos y procesos que se han creído dominados durante mucho tiempo, sino que también tiene el potencial de aplicaciones generalizadas.

Las empresas innovadoras y visionarias dependen de avances científicos como este para desarrollar y ofrecer soluciones que aprovechen nuevas capacidades y eficiencias.  Ahora, empresas como Consolidated Water, Veolia y Solar Water PLC necesitan adaptarse y aprovecharlo.