Ny forståelse av fordampning kan føre til at fotoner forbedrer avsaltningsprosesser gjennom ‘fotomolekylær effekt’

Temperatur, luftfuktighet, luftstrøm og trykk påvirker hvor raskt flytende vann blir til damp. Ny forskning fra Massachusetts Institute of Technology (MIT), publisert i 2023, peker også mot en direkte virkning av lys. Forskerne fant tegn på at fotoner under visse forhold kan løsne grupper av vannmolekyler fra grenseflaten mellom vann og luft, uten at all lysenergien først blir omdannet til varme.

Kjente faktorer ved fordampning

For å forstå betydningen av funnet er det nyttig å se på faktorene som allerede er kjent for å påvirke fordampningshastigheten.

1. Varme:Vannmolekyler er hele tiden i bevegelse. Når de tar opp varmeenergi, øker den gjennomsnittlige bevegelsesenergien. Molekyler ved overflaten med nok energi kan overvinne tiltrekningskreftene i væsken og slippe ut som damp.
2. Overflateareal: Fordampningshastigheten avhenger også av vannets overflateareal. Et større overflateareal gjør at flere molekyler eksponeres for luften, hvor de kan fordampe.
3. Luftfuktighet:Mengden vanndamp i luften nær overflaten påvirker nettofordampningen. Jo nærmere luften er metning, desto langsommere går den vanligvis. Ved samme temperatur fremmer tørr luft som regel fordampning mer enn fuktig luft.
4. Luftbevegelse:Vind og luftstrøm fører vanndamp bort fra overflaten. Dette kan redusere den lokale luftfuktigheten og fremme videre fordampning.
5. Trykk:Lavere omgivelsestrykk senker vannets kokepunkt. Virkningen på overflatefordampning avhenger også av temperatur, vanndampens partialtrykk og borttransport av damp. Koking og overflatefordampning er forskjellige prosesser.
6. Vannets temperatur: I tillegg til eksterne varmekilder er vannets egen temperatur en faktor. Varmere vann fordamper raskere fordi molekylene har mer energi i gjennomsnitt.

Ved vanlig termisk fordampning forlater molekyler væsken når de har nok energi. Temperatur, fuktighet, trykk, luftstrøm og eksponert overflate påvirker nettofordampningen. Studien fra 2023 undersøkte i tillegg et mulig direkte bidrag fra fotoner.

Fordampning, koking og kondensasjon

Overgang fra væske til gass:Dette omfatter både overflatefordampning og koking. Ved koking dannes dampbobler inne i væsken når damptrykket når omgivelsestrykket.

Kondensasjon: Ved kondensasjon går damp over til væske, for eksempel ved avkjøling.

Overflatefordampning skjer ved grenseflaten mellom væske og gass og kan foregå også under kokepunktet.

Hvordan ble det undersøkt?

MIT-gruppen utførte eksperimenter og simuleringer med vann i hydrogel, et nettverk av materiale som kan holde på mye vann. De ville forstå tidligere målinger der mer vann fordampet enn den tilførte varmeenergien skulle tilsi.

Forskerne belyste vannholdige hydrogeler med en solsimulator og ulike bølgelengder, samtidig som de målte massetap og temperatur. Lyskildene var skjermet for å begrense ekstra varmetilførsel. Fordampningen var sterkest ved grønt lys rundt 520 nanometer. Elektrisk oppvarming med sammenlignbar termisk energitilførsel ga ikke samme overskridelse av den termiske grensen.

Gruppen forklarte funnene med hypotesen om at synlige fotoner kan løsne grupper av vannmolekyler direkte fra grenseflaten. De kalte dette den fotomolekylære effekten. Målingene støtter et ikke-termisk bidrag til fordampning; lyset tilfører fortsatt energi, og energibevaring gjelder.

Hvorfor er dette viktig?

Hvis mekanismen bekreftes videre og kan utnyttes i praksis, finnes mulige anvendelser i industri og miljøvitenskap. Styring av fordampning kan for eksempel bidra til nye materialer, varmehåndtering og systemer for lagring og gjenvinning av energi.

I landbruket kan videre forskning undersøke om begrensning av bestemte bølgelengder reduserer fordampningstap og gir mer effektiv bruk av vann til vanning.

Bedre forståelse av fordampning fra dråper og andre overflater kan bidra til modeller av skyer, tåke og vannets kretsløp.

Legemiddel- og næringsmiddelindustrien kan undersøke mer effektive tørkeprosesser og mer presis styring av fuktfjerning.

I bygninger og byområder kan mekanismen åpne for fordampningskjøling med solenergi. Dette er mulige utviklingsretninger, ikke kommersielle systemer som ble demonstrert i studien.

Mulig anvendelse ved avsalting

Forskerne pekte særlig på avsalting med solenergi. En mer effektiv fordampningsfase kan være nyttig når dampen deretter samles opp og kondenseres til ferskvann.

Avsalting fjerner oppløste salter fra vann. Det kan gjøres med fordampning og kondensasjon eller membraner, som ved omvendt osmose. Solenergi kan levere varme eller elektrisitet. Selskapene nedenfor viser ulike aktiviteter i sektoren; studien dokumenterer ikke at de allerede bruker den fotomolekylære effekten.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): Consolidated Water holder til på Caymanøyene og ble etablert i 1973. Selskapet prosjekterer, bygger og driver vannbehandlings- og avsaltingsanlegg og bruker hovedsakelig omvendt osmose for sjøvann.

Den opprinnelige markedsoversikten fra 2023 oppga følgende tall for Consolidated Water.

Markedsverdi: 465 675 764 amerikanske dollar

P/E basert på forventet resultat neste år: 20,06

Resultat per aksje (EPS): ikke tilgjengelig

Solar Water Plc: Dette britiske selskapet utviklet et solkuppelkonsept for avsalting i solrike områder med begrenset ferskvann. NEOM kunngjorde i 2020 en avtale om et pilotprosjekt med teknologien.

Abengoa:Det spanske konsernet har erfaring med store avsaltingsanlegg og solenergiprosjekter, blant annet i Midtøsten og Nord-Afrika.

Abengoa hadde økonomiske problemer i mange år. I april 2023 ble produksjonsenheter tildelt Cox Energy gjennom en insolvensbehandling. Effektive vann- og energiprosesser er fortsatt viktige for disse aktivitetene.

Eksemplene viser ulike tilnærminger til vannforsyning. Avsalting kan bidra til å dekke ferskvannsbehovet i tørre områder, samtidig som energibruk, kostnader og håndtering av konsentrert saltlake må ivaretas.

Avsluttende tanker

Funnet viser at selv kjente konsepter og prosesser kan romme nye mekanismer å undersøke. Mulige anvendelser spenner fra avsalting og tørking til klimamodellering og kjøling.

For selskaper som Consolidated Water, Veolia og Solar Water Plc kan vitenskapelige fremskritt etter hvert gi utviklingsmuligheter. Veien fra laboratorieresultater til pålitelige og lønnsomme løsninger krever videre utprøving.