Ny förståelse av avdunstning kan göra att fotoner förbättrar avsaltningsprocesser genom ‘fotomolekylär effekt’

Till nyligen fanns det några få överenskomna variabler som kunde påverka avdunstning av vatten – processen där vatten övergår från vätska till gas.  Dock kommer ny forskning från Massachusetts Institute of Technology (MIT) att vända på detta, och pekar på en ny förståelse av hur enkla fotoner (ljus) kan spela en oproportionerlig roll i processen.  Med detta i åtanke har forskare upptäckt att fotoner kan avdunsta vatten både tillsammans med och utan värme.

Förhandsexisterande variabler

Innan vi dyker djupare in i varför detta upptäckt är viktig, ta en stund att fräscha upp den tidigare listan över variabler som spelar en roll i avdunstning.

1. Värme: Den primära orsaken till avdunstning är värme. Vattenmolekyler rör sig alltid, och när de får värmeenergi ökar deras rörelse. När energin är tillräcklig för att övervinna de intermolekylära krafterna som håller molekylerna samman i vätskan, kan de flyga bort i luften som ånga.
2. Ytarea: Avdunstningshastigheten beror också på vattenytans storlek. En större yta gör att fler molekyler exponeras för luften, där de kan avdunsta.
3. Fuktighet: Mängden vattenånga som redan finns i luften påverkar avdunstning. Om luften redan är mättad med vattenånga blir avdunstningen långsammare. Detta beror på att högre fuktighet minskar avdunstningshastigheten på grund av minskad kapacitet i luften att ta emot fler vattenmolekyler.
4. Luftrörelse: Vind eller luftrörelse kan föra bort vattenånga när den bildas, minska fuktigheten precis ovanför vattnet och möjliggöra mer avdunstning.
5. Tryck: Atmosfärstrycket påverkar också avdunstning. När det atmosfäriska trycket är lägre kokar vatten vid en lägre temperatur och avdunstar snabbare. Högt atmosfärstryck kan hämma avdunstning.
6. Vattnets temperatur: Förutom externa värmekällor är vattnets egen temperatur en faktor. Varmare vatten avdunstar snabbare eftersom dess molekyler har mer energi i genomsnitt.

I grund och botten avdunstar vatten när dess molekyler har tillräckligt med energi för att bryta sig loss från vätskefasen och bli vattenånga. Denna process påverkas av temperatur, fuktighet, tryck, vind och de fysiska egenskaperna hos själva vattenkroppen.  Nu kan vi lägga till exponering för fotoner på listan.

Ej att förväxla

Det är också viktigt att förstå skillnaden mellan avdunstning och följande processer.

Avdunstning: En allmän term som inkluderar avdunstning men också omfattar kokning, där vätskan blir till ånga vid sin kokpunkt genom hela volymen av vätskan.

Kondensation: Den omvända processen till avdunstning som innebär kylning av en gas, vilket resulterar i att den övergår till en vätskefas.

Avdunstning, å andra sidan, är en typ av avdunstning som sker vid ytan av en vätska under dess kokpunkt.

Hur uppnåddes det?

Så hur upptäckte MIT-forskare att fotoner kan läggas till listan över variabler som är kopplade till avdunstning? Teamets resultat uppnåddes genom en serie experiment och simuleringar fokuserade på avdunstningsbeteendet hos vatten när det är inneslutet i ett hydrogel. Detta arbete påbörjades först när teamet ville förstå och bekräfta tidigare experiment som gav resultat där vattenavdunstningshastigheterna översteg den förväntade termiska gränsen – den maximala mängden avdunstning som är möjlig när en given mängd värme appliceras.

För att återskapa dessa resultat använde forskarna en ‘solsimulator’.  Här utsattes mättade hydrogel för olika våglängder av ljus i frånvaro av värme. Intressant nog visade resultaten att trots avsaknad av värmeinverkan, inträffade en mätbar massförlust över tid, med de mest uttalade skillnaderna när grönt ljus användes.  Eftersom responsen var oberoende av termiska effekter bekräftade det att ljus, inte värme, var orsaken till avdunstning.

Till slut upptäckte forskarna att, mot konventionella förväntningar, en kombination av vatten och hydrogel möjliggjorde att energin från fotoner kunde utnyttjas för att driva avdunstning bortom kända termiska gränser.  Processen kallas nu för den ‘fotomolekylära effekten’.

Varför är det viktigt?

Denna upptäckt av den fotomolekylära effekten kan revolutionera flera industrier och miljövetenskaper. De kan sträcka sig till att omfatta system för lagring och återvinning av förnybar energi, där kontrollerade avdunstningshastigheter är kritiska.  Till exempel kan detta leda till utveckling av nya material eller ytor designade för att maximera vattenavdunstning för energilagring i torra klimat.

Inom jordbruket kan detta princip användas för att utveckla mer effektiva bevattningssystem som minimerar vattenförlust genom att begränsa exponering för vissa våglängder, vilket sparar vatten samtidigt som växttillväxten upprätthålls.

Inom meteorologin kan förståelsen av den fotomolekylära effekten förbättra väderprognosmodeller genom att ge en mer exakt representation av vattencykelns dynamik.

Dessutom kan de farmaceutiska och livsmedelsindustrierna, som ofta förlitar sig på precisa torkningsprocesser, se förbättringar i effektiviteten och kontrollen av fuktborttagning från produkter.

Slutligen, inom stadplanering och utveckling av hållbar arkitektur, kan denna upptäckt inspirera innovativa kylsystem som använder solenergi mer effektivt, minskar beroendet av traditionell luftkonditionering och bidrar till energibesparande byggnadsdesigner.

Först att dra nytta av fotoner

Medan det finns en stor variation av industrier som kan se processförbättringar genom denna nya förståelse av avdunstning, tror forskarna bakom upptäckten att det mest uppenbara exemplet är de som är involverade i solavsaltning av saltvatten.

Avsaltning är helt enkelt processen där salt och mineraler avlägsnas från vatten, vilket gör det lämpligt för både konsumtion och bevattning.  Med den ökande användningen av förnybar energi drivs denna process i allt högre grad av solenergi.  Följande är företag som är involverade i solavsaltning och som snart kan dra nytta av de ovan diskuterade resultaten.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): Baserat på Caymanöarna har Consolidated Water vuxit sedan grundandet 1973 till att bli ett multinationellt företag som specialiserar sig på avsaltningsanläggningar för havsvatten.

Vid tidpunkten för skrivandet hade Consolidated Water följande nyckeltal.

Marknadsvärde:$465,675,764

Framtida P/E 1 år:  20.06

Vinst per aktie (EPS): N/A

Solar Water Plc: Detta brittiska företag har utvecklat en solkupolteknik avsedd att avsalta havsvatten, särskilt inriktad på regioner med hög solinstrålning och begränsade färskvattentillgångar.

Abengoa: Ett spanskt multinationellt företag som har varit involverat i utvecklingen av storskaliga soldrivna avsaltningsanläggningar, särskilt i områden som Mellanöstern och Nordafrika.

Trots omfattningen av sin verksamhet har Abengoa befunnit sig på gränsen till konkurs i flera år.  Nya processer som har potential att kraftigt öka driftseffektiviteten kan vara nyckeln till överlevnad.

Dessa företag är aktiva i olika delar av världen och adresserar färskvattensbehovet i torra regioner och områden med begränsad tillgång till rent vatten – ett behov som bara kommer att fortsätta växa över tid.

Avslutande tankar

Även om en sådan upptäckt kan verka vardaglig vid första anblicken är den allt annat än det.  Den visar inte bara hur begränsad vår förståelse är av koncept och processer som länge har ansetts vara bemästrade, utan den har också potential för breda tillämpningar.

Innovativa och framåtblickande företag är beroende av vetenskapliga framsteg som detta för att bygga ut och erbjuda lösningar som utnyttjar nya möjligheter och effektivitet.  Nu måste företag som Consolidated Water, Veolia och Solar Water PLC anpassa sig och ta tillvara på detta.