Nouvelle compréhension de l’évaporation pourrait permettre aux photons d’améliorer les processus de désalinisation grâce à l’effet « photomoléculaire »

Jusqu’à récemment, il n’existait que quelques variables convenues pouvant entraîner/affecter l’évaporation de l’eau – le processus par lequel l’eau passe d’un liquide à un gaz. Cependant, de nouvelles recherches provenant du Massachusetts Institute of Technology (MIT) sont sur le point de bouleverser cela, en pointant vers une nouvelle compréhension de la façon dont de simples photons (lumière) peuvent jouer un rôle démesuré dans le processus. Dans cet esprit, les chercheurs ont découvert que les photons peuvent évaporer l’eau à la fois en présence et en l’absence de chaleur.

Variables préexistantes

Avant de plonger dans les raisons pour lesquelles cette découverte est importante, prenez un moment pour vous rafraîchir la mémoire sur la liste précédente de variables qui jouent un rôle dans l’évaporation.

1. Chaleur: La cause principale de l’évaporation est la chaleur. Les molécules d’eau sont toujours en mouvement, et à mesure qu’elles gagnent de l’énergie thermique, leur mouvement augmente. Lorsque l’énergie est suffisante pour surmonter les forces intermoléculaires qui maintiennent les molécules ensemble dans le liquide, elles peuvent s’échapper dans l’air sous forme de vapeur.
2. Surface: Le taux d’évaporation dépend également de la surface de l’eau. Une plus grande surface permet à davantage de molécules d’être exposées à l’air, où elles peuvent s’évaporer.
3. Humidité: La quantité de vapeur d’eau déjà présente dans l’air affecte l’évaporation. Si l’air est déjà saturé de vapeur d’eau, l’évaporation sera plus lente. En effet, plus l’humidité est élevée, plus le taux d’évaporation diminue en raison de la capacité réduite de l’air à recevoir davantage de molécules d’eau.
4. Mouvement de l’air: Le vent ou le mouvement de l’air peut emporter la vapeur d’eau lorsqu’elle se forme, réduisant l’humidité juste au-dessus de l’eau et permettant à davantage d’eau d’évaporer.
5. Pression: La pression atmosphérique affecte également l’évaporation. Lorsque la pression atmosphérique est plus basse, l’eau bout à une température plus basse et s’évapore plus rapidement. Une pression atmosphérique élevée peut inhiber l’évaporation.
6. Température de l’eau: En dehors des sources de chaleur externes, la température de l’eau elle‑même est un facteur. L’eau plus chaude s’évapore plus rapidement car ses molécules ont en moyenne plus d’énergie.

Essentiellement, l’eau s’évapore lorsque ses molécules possèdent suffisamment d’énergie pour se libérer de la phase liquide et devenir de la vapeur d’eau. Ce processus est influencé par la température, l’humidité, la pression, le vent et les caractéristiques physiques du corps d’eau lui‑même. Maintenant, nous pouvons ajouter l’exposition aux photons à la liste.

À ne pas confondre

Vaporisation: Un terme général qui inclut l’évaporation mais englobe également l’ébullition, où le liquide se transforme en vapeur à son point d’ébullition dans tout le volume du liquide.

Condensation: Le processus inverse de l’évaporation impliquant le refroidissement d’un gaz, ce qui entraîne sa transition vers une phase liquide.

L’évaporation, en revanche, est un type de vaporisation qui se produit à la surface d’un liquide en dessous de son point d’ébullition.

Comment cela a-t-il été réalisé ?

Alors, comment les chercheurs du MIT ont-ils découvert que les photons peuvent être ajoutés à la liste des variables associées à l’évaporation ? Les résultats de l’équipe ont été obtenus grâce à une série d’expériences et de simulations portant sur le comportement d’évaporation de l’eau lorsqu’elle est contenue dans un hydrogel. Ce travail a d’abord été entrepris alors que l’équipe cherchait à comprendre et à confirmer des expériences antérieures qui avaient donné des résultats où les taux d’évaporation de l’eau dépassaient la limite thermique attendue – la quantité maximale d’évaporation possible lorsqu’une certaine quantité de chaleur est appliquée.

Pour recréer ces résultats, les chercheurs ont utilisé un « simulateur solaire ». Ici, des hydrogels saturés ont été exposés à diverses longueurs d’onde de lumière en l’absence de chaleur. Fait intéressant, les résultats ont montré que malgré l’absence d’influence de la chaleur, une perte de masse mesurable s’est produite au fil du temps, les différences les plus prononcées étant observées avec la lumière verte. Le fait que la réponse soit indépendante des effets thermiques a confirmé que la lumière, et non la chaleur, était la cause de l’évaporation.

En fin de compte, les chercheurs ont découvert que, contrairement aux attentes conventionnelles, une combinaison d’eau et d’hydrogel permettait d’exploiter l’énergie des photons pour entraîner une évaporation au‑delà des limites thermiques connues. Le processus est désormais appelé « effet photomoléculaire ».

Pourquoi cela importe‑t‑il ?

Cette découverte de l’effet photomoléculaire pourrait révolutionner plusieurs industries et sciences de l’environnement. Elles pourraient s’étendre aux systèmes de stockage et de récupération d’énergie renouvelable, où les taux d’évaporation contrôlés sont essentiels. Par exemple, cela pourrait conduire au développement de nouveaux matériaux ou surfaces conçus pour maximiser l’évaporation de l’eau afin de stocker de l’énergie dans les climats arides.

En agriculture, ce principe pourrait être utilisé pour développer des systèmes d’irrigation plus efficaces qui minimisent la perte d’eau en limitant l’exposition à certaines longueurs d’onde, conservant ainsi l’eau tout en maintenant la croissance des plantes.

Dans le domaine de la météorologie, comprendre l’effet photomoléculaire pourrait améliorer les modèles de prévision météorologique en offrant une représentation plus précise de la dynamique du cycle de l’eau.

De plus, les industries pharmaceutique et alimentaire, qui dépendent souvent de processus de séchage précis, pourraient voir des améliorations de l’efficacité et du contrôle du retrait d’humidité des produits.

Enfin, dans l’urbanisme et le développement d’architectures durables, cette découverte pourrait inspirer des systèmes de refroidissement innovants qui utilisent l’énergie solaire de manière plus efficace, réduisant la dépendance à la climatisation traditionnelle et contribuant à des conceptions de bâtiments économes en énergie.

Premiers bénéficiaires des photons

Bien qu’un grand nombre d’industries puissent voir leurs processus gagner en efficacité grâce à cette nouvelle compréhension de l’évaporation, les chercheurs à l’origine de cette découverte estiment que l’exemple le plus évident serait celui des acteurs de la désalinisation solaire de l’eau salée.

La désalinisation est simplement le processus par lequel le sel et les minéraux sont retirés de l’eau, la rendant adaptée à la consommation et à l’irrigation. Avec la montée des énergies renouvelables, ce processus est de plus en plus alimenté par l’énergie solaire. Les entreprises suivantes sont impliquées dans la désalinisation solaire et pourraient bientôt bénéficier des résultats évoqués ci‑dessus.

Consolidated Water (NASDAQ: CWCO): Basée aux îles Caïmans, Consolidated Water a grandi depuis sa création en 1973 pour devenir une société multinationale spécialisée dans les usines de désalinisation d’eau de mer.

https://youtu.be/RPhuseNYN7M
Au moment de la rédaction, Consolidated Water affichait les métriques suivantes.

Capitalisation boursière:$465,675,764

P/E prévisionnel 1 an:  20.06

Bénéfice par action (EPS): N/A

Solar Water Plc: Cette société britannique a développé une technologie de dôme solaire destinée à désaliniser l’eau de mer, ciblant particulièrement les régions à forte irradiance solaire et aux ressources d’eau douce limitées.
https://youtu.be/UtL1AT8x8F4

Abengoa: Une multinationale espagnole qui a participé au développement d’usines de désalinisation à grande échelle alimentées par l’énergie solaire, notamment dans des régions comme le Moyen‑Orient et l’Afrique du Nord.

Malgré l’ampleur de ses opérations, Abengoa est au bord de la faillite depuis plusieurs années. De nouveaux processus susceptibles d’augmenter considérablement l’efficacité opérationnelle pourraient être la clé de sa survie.

Ces entreprises sont actives dans diverses parties du monde, répondant aux besoins en eau douce des régions arides et des zones à accès limité à l’eau potable – un besoin qui ne fera que croître avec le temps.

Réflexions finales

Bien que cette découverte puisse sembler banale à première vue, elle ne l’est pas du tout. Non seulement elle montre à quel point notre compréhension des concepts et processus longtemps considérés comme maîtrisés est limitée, mais elle recèle également un potentiel d’applications généralisées.

Les entreprises innovantes et tournées vers l’avenir dépendent d’avancées scientifiques comme celle-ci pour développer et proposer des solutions tirant parti de nouvelles capacités et efficacités. Désormais, des sociétés comme Consolidated Water, Veolia et Solar Water PLC doivent s’adapter et exploiter cette découverte.