Nieuw Begrip van Verdamping Kan Zien dat Fotonen Ontziltingsprocessen Verbeteren via het ‘Fotomoleculaire Effect’

Tot voor kort waren er enkele overeengekomen variabelen die de verdamping van water konden veroorzaken/beïnvloeden – het proces waarbij water van vloeistof naar gas overgaat.  Echter, nieuw onderzoek van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) staat op het punt dit te doen herzien, en wijst op een nieuw begrip van hoe eenvoudige fotonen (licht) een buitengewone rol kunnen spelen in het proces.  Met dat in gedachten hebben onderzoekers ontdekt dat fotonen water kunnen verdampen zowel naast als zonder warmte.

Pre-Existing Variables

Voordat we ingaan op waarom deze ontdekking belangrijk is, neem even de tijd om de eerdere lijst van variabelen die een rol spelen bij verdamping te herzien.

1. Warmte: De primaire oorzaak van verdamping is warmte. Watermoleculen bewegen altijd, en naarmate ze warmte‑energie opnemen, neemt hun beweging toe. Wanneer de energie voldoende is om de intermoleculaire krachten die de moleculen in de vloeistof bij elkaar houden te overwinnen, kunnen ze ontsnappen als damp.
2. Oppervlakte: Het verdampingstempo hangt ook af van het oppervlak van het water. Een groter oppervlak stelt meer moleculen bloot aan de lucht, waar ze kunnen verdampen.
3. Vochtigheid: De hoeveelheid waterdamp die al in de lucht aanwezig is, beïnvloedt de verdamping. Als de lucht al verzadigd is met waterdamp, zal de verdamping trager verlopen. Dit komt omdat een hogere vochtigheid de verdampingssnelheid verlaagt door de verminderde capaciteit van de lucht om meer watermoleculen op te nemen.
4. Luchtbeweging: Wind of luchtbeweging kan de gevormde waterdamp wegslepen, waardoor de vochtigheid direct boven het water daalt en meer water kan verdampen.
5. Druk: Atmosferische druk beïnvloedt ook de verdamping. Bij lagere atmosferische druk kookt water bij een lagere temperatuur en verdampt sneller. Hoge atmosferische druk kan verdamping belemmeren.
6. Temperatuur van het water: Naast externe warmtebronnen is de temperatuur van het water zelf een factor. Warmer water verdampt sneller omdat de moleculen gemiddeld meer energie hebben.

In wezen verdampt water wanneer de moleculen genoeg energie hebben om zich los te maken van de vloeibare fase en waterdamp te worden. Dit proces wordt beïnvloed door temperatuur, vochtigheid, druk, wind en de fysieke kenmerken van het waterlichaam zelf.  Nu kunnen we blootstelling aan fotonen aan de lijst toevoegen.

Not to Be Confused

Het is ook belangrijk om het onderscheid tussen verdamping en de volgende processen te begrijpen.

Verdamping: Een algemene term die verdamping omvat, maar ook koken, waarbij de vloeistof bij zijn kookpunt door het gehele volume in damp verandert.

Condensatie: Het omgekeerde proces van verdamping waarbij een gas wordt gekoeld, waardoor het overgaat naar een vloeibare fase.

Verdamping, daarentegen, is een type verdamping dat optreedt aan het oppervlak van een vloeistof onder zijn kookpunt.

How Was It Achieved?

Hoe ontdekten MIT‑onderzoekers dat fotonen aan de lijst van variabelen die met verdamping verband houden, kunnen worden toegevoegd? De bevindingen van het team werden verkregen via een reeks experimenten en simulaties die gericht waren op het verdampingsgedrag van water wanneer dit zich in een hydrogel bevindt. Dit werk begon toen het team eerdere experimenten wilde begrijpen en bevestigen die resultaten opleverden waarbij de verdampingssnelheden van water de verwachte thermische limiet overschreden – de maximale hoeveelheid verdamping die mogelijk is wanneer een bepaalde hoeveelheid warmte wordt toegepast.

Om deze resultaten te reproduceren, maakten de onderzoekers gebruik van een ‘zonnensimulator’.  Hier werden verzadigde hydrogels blootgesteld aan verschillende golflengten van licht in afwezigheid van warmte. Interessant genoeg toonden de resultaten aan dat, ondanks het ontbreken van warmte, er in de loop van de tijd een meetbaar massaverlies optrad, met de meest uitgesproken verschillen wanneer groen licht werd gebruikt.  Omdat de respons onafhankelijk was van thermische effecten, bevestigde dit dat licht, niet warmte, de oorzaak van verdamping was.

Uiteindelijk ontdekten de onderzoekers dat, tegen de conventionele verwachtingen in, een combinatie van water en hydrogel de energie van fotonen kon benutten om verdamping te stimuleren voorbij de bekende thermische limieten.  Het proces wordt nu het ‘fotomoleculaire effect’ genoemd.

Why Does It Matter?

Deze ontdekking van het fotomoleculaire effect zou verschillende industrieën en milieuwetenschappen kunnen revolutioneren. Ze kunnen zich uitbreiden tot onder andere systemen voor opslag en terugwinning van hernieuwbare energie, waar gecontroleerde verdampingssnelheden cruciaal zijn.  Zo kan dit leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen of oppervlakken die ontworpen zijn om waterverdamping te maximaliseren voor energieopslag in droge klimaten.

In de landbouw zou dit principe kunnen worden gebruikt om efficiëntere irrigatiesystemen te ontwikkelen die waterverlies minimaliseren door blootstelling aan bepaalde golflengten te beperken, waardoor water wordt bespaard terwijl de plantengroei wordt ondersteund.

Op het gebied van meteorologie zou begrip van het fotomoleculaire effect weerkaarten kunnen verbeteren door een nauwkeurigere weergave van de dynamiek van de watercyclus te bieden.

Bovendien zouden de farmaceutische en voedingsindustrieën, die vaak afhankelijk zijn van precieze droogprocessen, verbeteringen kunnen zien in de efficiëntie en controle van vochtverwijdering uit producten.

Ten slotte, in stedelijke planning en de ontwikkeling van duurzame architectuur, zou deze ontdekking innovatieve koelsystemen kunnen inspireren die zonne‑energie efficiënter gebruiken, waardoor de afhankelijkheid van traditionele airconditioning wordt verminderd en bijgedragen wordt aan energie‑besparende gebouwontwerpen.

First to Benefit from Photons

Hoewel er een grote verscheidenheid aan industrieën is die proces‑efficiënties kunnen verbeteren door dit nieuwe begrip van verdamping, geloven de onderzoekers achter de ontdekking dat het meest voor de hand liggende voorbeeld diegenen zijn die betrokken zijn bij de zonne‑ontzilting van zout water.

Ontzilting is simpelweg het proces waarbij zout en mineralen uit water worden verwijderd, waardoor het geschikt wordt voor zowel consumptie als irrigatie.  Met de opkomst van hernieuwbare energie wordt dit proces steeds vaker aangedreven door zonne‑energie.  Hieronder staan de bedrijven die betrokken zijn bij zonne‑ontzilting en die binnenkort kunnen profiteren van de hierboven besproken bevindingen.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): Gevestigd op de Kaaimaneilanden, is Consolidated Water sinds de oprichting in 1973 uitgegroeid tot een multinationaal bedrijf dat zich specialiseert in ontziltingsinstallaties voor zeewater.

Op het moment van schrijven pronkte Consolidated Water met de volgende cijfers.

Marktkapitalisatie:$465,675,764

Voorwaartse P/E 1 jr.:  20.06

Winst per aandeel (EPS): N/A

Solar Water Plc: Dit in het VK gevestigde bedrijf heeft een zonnedome‑technologie ontwikkeld die bedoeld is om zeewater te ontzilten, met name gericht op regio’s met hoge zonne‑irradiatie en schaarse zoetwatervoorraden.

Abengoa: Een Spaans multinationaal concern dat betrokken is geweest bij de ontwikkeling van grootschalige zonne‑aangedreven ontziltingsinstallaties, met name in gebieden zoals het Midden‑Oosten en Noord‑Afrika.

Ondanks de omvang van haar activiteiten staat Abengoa al meerdere jaren op de rand van faillissement.  Nieuwe processen die de operationele efficiëntie aanzienlijk kunnen verhogen, kunnen cruciaal zijn voor het overleven.

Deze bedrijven zijn actief in verschillende delen van de wereld en voorzien in de zoetwaterbehoeften van droge regio’s en gebieden met beperkte toegang tot schoon water – een behoefte die in de toekomst alleen maar zal groeien.

Final Thoughts

Hoewel zo’n ontdekking op het eerste gezicht alledaags kan lijken, is dat allesbehalve het geval.  Niet alleen toont het aan hoe beperkt ons begrip is van concepten en processen die lange tijd als beheerst werden beschouwd, maar het biedt ook potentieel voor brede toepassingen.

Innovatieve en vooruitstrevende bedrijven zijn afhankelijk van wetenschappelijke doorbraken zoals deze om oplossingen te bouwen en aan te bieden die profiteren van nieuwe mogelijkheden en efficiënties.  Nu moeten bedrijven als Consolidated Water, Veolia en Solar Water PLC zich aanpassen en er mee aan de slag gaan.