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

Inntil nylig var det noen få avtalte variabler som kunne påvirke fordampning av vann – prosessen der vann går fra væske til gass. Imidlertid vil ny forskning fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) snu dette, og peke på en ny forståelse av hvordan enkle fotoner (lys) kan spille en overdrevet rolle i prosessen. Med dette i tankene har forskerne funnet at fotoner kan fordampe vann både sammen med og i fravær av varme.

Forhåndseksisterende variabler

Before diving into why this discovery matters, take a moment to refresh on the previous list of variables that play a role in evaporation.

1. Varme: Den primære årsaken til fordampning er varme. Vannmolekyler er alltid i bevegelse, og etter hvert som de får varmeenergi, øker bevegelsen. Når energien er tilstrekkelig til å overvinne de intermolekylære kreftene som holder molekylene sammen i væsken, kan de slippe ut i luften 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 som allerede er i luften påvirker fordampning. Hvis luften allerede er mettet med vanndamp, vil fordampningen være langsommere. Dette skyldes at høyere luftfuktighet gir lavere fordampningsrate på grunn av redusert kapasitet i luften til å ta opp flere vannmolekyler.
4. Luftbevegelse: Vind eller luftbevegelse kan bære bort vanndamp når den dannes, redusere fuktigheten rett over vannet og tillate mer vann å fordampe.
5. Trykk: Atmosfærisk trykk påvirker også fordampning. Når det atmosfæriske trykket er lavere, koker vannet ved en lavere temperatur og fordamper raskere. Høyt atmosfærisk trykk kan hemme fordampning.
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.

I hovedsak fordamper vann når molekylene har nok energi til å bryte fri fra væskefasen og bli til vanndamp. Denne prosessen påvirkes av temperatur, luftfuktighet, trykk, vind og de fysiske egenskapene til vannkroppen selv. Nå kan vi legge eksponering for fotoner til listen.

Ikke forveksles med

Fordampning: Et generelt begrep som inkluderer fordampning, men også omfatter koking, hvor væsken blir til damp ved sitt kokepunkt gjennom hele væskens volum.

Kondensasjon: Den omvendte prosessen av fordampning som innebærer avkjøling av en gass, som resulterer i at den går over i en væskefase.

Fordampning, derimot, er en type fordampning som skjer på overflaten av en væske under kokepunktet.

Hvordan ble det oppnådd?

So how did MIT Researchers discover that photons can be added to the list of variables associated with evaporations? The team’s findings were achieved through a series of experiments and simulations focused on the evaporation behavior of water when contained within a hydrogel. This work was first undertaken as the team looked to understand and reaffirm past experiments that yielded results in which water evaporation rates surpassed the expected thermal limit – the maximum amount of evaporation possible when a given amount of heat is applied.

To recreate these results, the researchers utilized a ‘solar simulator’.  Here, saturated hydrogels were subjected to various wavelengths of light in the absence of heat. Interestingly, results showed that despite no influence by heat, a measurable loss in mass occurred over time, with the most pronounced differences being found when green light was used.  With the response being independent of thermal effects, it affirmed that light, not heat, was the cause of evaporation.

In the end, the researchers discovered that, against conventional expectations, a combination of water and hydrogel enabled the energy from photons to be harnessed to drive evaporation beyond known thermal limits.  The process is now being called the ‘photomolecular effect’.

Hvorfor er dette viktig?

This discovery of the photomolecular effect could revolutionize several industries and environmental sciences. They may extend to include renewable energy storage and recovery systems, where controlled evaporation rates are critical.  For instance, this could lead to the development of new materials or surfaces designed to maximize water evaporation for energy storage in dry climates.

In agriculture, this principle might be used to develop more efficient irrigation systems that minimize water loss by restricting exposure to certain wavelengths, thereby conserving water while sustaining plant growth.

In the field of meteorology, understanding the photomolecular effect could improve weather prediction models by providing a more accurate representation of water cycle dynamics.

Additionally, the pharmaceutical and food industries, which often rely on precise drying processes, could see improvements in the efficiency and control of moisture removal from products.

Lastly, in urban planning and the development of sustainable architecture, this discovery might inspire innovative cooling systems that use solar energy more efficiently, reducing reliance on traditional air conditioning and contributing to energy-saving building designs.

Første som kan dra nytte av fotoner

While there is a large variety of industries that may see process efficiencies improved through this new understanding of evaporation, the researchers behind its discovery believe that the most obvious example would be those involved with the solar desalination of salt water.

Desalination is simply the process by which salt and minerals are removed from water, making it suitable for both consumption and irrigation.  With the rise of renewables, this process is increasingly powered through solar energy.  The following are each companies involved with solar desalination, which could soon benefit from the findings discussed above.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): Basert på Caymanøyene, har Consolidated Water vokst siden etableringen i 1973 til å bli et multinasjonalt selskap som spesialiserer seg på avsaltningsanlegg for sjøvann.

På tidspunktet for skrivingen hadde Consolidated Water følgende måltall.

Markedsverdi:$465,675,764

Forventet P/E 1 år:  20.06

Resultat per aksje (EPS): N/A

Solar Water Plc: Dette britiske selskapet har utviklet en solkuppel-teknologi ment for å avsalte sjøvann, spesielt rettet mot regioner med høy solinnstråling og knappe ferskvannressurser.

Abengoa: Et spansk multinasjonalt selskap som har vært involvert i utviklingen av storskalige solenergidrevne avsaltningsanlegg, spesielt i områder som Midtøsten og Nord-Afrika.

Til tross for omfanget av virksomheten har Abengoa vært på randen av konkurs i flere år. Nye prosesser som har potensial til å øke driftsmessig effektivitet betydelig kan være nøkkelen til å overleve.

Disse selskapene er aktive i ulike deler av verden, og adresserer ferskvannbehovet i tørre regioner og områder med begrenset tilgang til rent vann – et behov som bare vil fortsette å vokse over tid.

Avsluttende tanker

While such a discovery may seem mundane at first glance, it is anything but.  Not only does it show how limited our understanding is of konsepter og prosesser that have long been thought to be mastered, but it also holds the potential for widespread applications.

Innovative and forward-thinking companies are reliant on scientific advancements such as this to build out and offer solutions leveraging new capabilities and efficiencies.  Now, companies like Consolidated Water, Veolia, and Solar Water PLC need to adapt and run with it.