Wetenschap
Hoe licht water kan verdampen zonder dat er warmte nodig is
Het is het meest fundamentele proces:de verdamping van water van de oppervlakte van oceanen en meren, het opbranden van mist in de ochtendzon en het opdrogen van zilte vijvers waardoor vast zout achterblijft. Verdamping is overal om ons heen, en mensen observeren het en maken er gebruik van zolang we bestaan.
En toch blijkt dat we de hele tijd een groot deel van het plaatje hebben gemist.
In een reeks uiterst nauwkeurige experimenten heeft een team van onderzoekers van het MIT aangetoond dat warmte niet de enige oorzaak is van de verdamping van water. Licht dat op het wateroppervlak valt waar lucht en water elkaar ontmoeten, kan watermoleculen afbreken en in de lucht laten zweven, waardoor verdamping ontstaat als er geen warmtebron is.
De verbazingwekkende nieuwe ontdekking zou een breed scala aan belangrijke implicaties kunnen hebben. Het zou kunnen helpen bij het verklaren van mysterieuze metingen door de jaren heen van hoe zonlicht de wolken beïnvloedt, en daardoor van invloed zijn op berekeningen van de effecten van klimaatverandering op bewolking en neerslag. Het zou ook kunnen leiden tot nieuwe manieren om industriële processen te ontwerpen, zoals ontzilting op zonne-energie of het drogen van materialen.
De bevindingen en de vele verschillende bewijzen die de realiteit van het fenomeen aantonen en de details van hoe het werkt, worden vandaag beschreven in de Proceedings of the National Academy of Sciences , in een paper van Carl Richard Soderberg, hoogleraar energietechniek Gang Chen, postdocs Guangxin Lv en Yaodong Tu, en afgestudeerde student James Zhang.
De auteurs zeggen dat hun onderzoek suggereert dat het effect zich op grote schaal in de natuur zou moeten voordoen – overal van wolken tot mist tot de oppervlakken van oceanen, bodems en planten – en dat het ook zou kunnen leiden tot nieuwe praktische toepassingen, onder meer in de productie van energie en schoon water.
"Ik denk dat dit veel toepassingen heeft", zegt Chen. "We onderzoeken al deze verschillende richtingen. En natuurlijk heeft het ook invloed op de fundamentele wetenschap, zoals de effecten van wolken op het klimaat, omdat wolken het meest onzekere aspect van klimaatmodellen zijn."
Een nieuw ontdekt fenomeen
Het nieuwe werk bouwt voort op vorig jaar gerapporteerd onderzoek, waarin dit nieuwe ‘fotomoleculaire effect’ werd beschreven, maar alleen onder zeer gespecialiseerde omstandigheden:op het oppervlak van speciaal geprepareerde hydrogels gedrenkt in water. In de nieuwe studie tonen de onderzoekers aan dat de hydrogel niet nodig is voor het proces; het komt voor op elk wateroppervlak dat wordt blootgesteld aan licht, of het nu een vlak oppervlak is zoals een watermassa of een gebogen oppervlak zoals een druppel wolkendamp.
Omdat het effect zo onverwacht was, probeerde het team het bestaan ervan te bewijzen met zoveel mogelijk verschillende bewijslijnen. In deze studie rapporteren ze 14 verschillende soorten tests en metingen die ze hebben uitgevoerd om vast te stellen dat water inderdaad aan het verdampen was (dat wil zeggen, watermoleculen werden losgeslagen van het wateroppervlak en de lucht in gedreven) alleen al door het licht. niet door hitte, waarvan lang werd aangenomen dat dit het enige betrokken mechanisme was.
Eén belangrijke indicator, die consistent naar voren kwam in vier verschillende soorten experimenten onder verschillende omstandigheden, was dat toen het water uit een testcontainer begon te verdampen onder zichtbaar licht, de luchttemperatuur gemeten boven het wateroppervlak afkoelde en vervolgens afvlakte, wat erop wijst dat dat thermische energie niet de drijvende kracht achter het effect was.
Andere belangrijke indicatoren die naar voren kwamen, waren onder meer de manier waarop het verdampingseffect varieerde, afhankelijk van de hoek van het licht, de exacte kleur van het licht en de polarisatie ervan. Geen van deze uiteenlopende kenmerken zou zich moeten voordoen, omdat water bij deze golflengten nauwelijks licht absorbeert – en toch hebben de onderzoekers ze waargenomen.
Het effect is het sterkst wanneer het licht onder een hoek van 45 graden op het wateroppervlak valt. Het is ook het sterkst bij een bepaald type polarisatie, de zogenaamde transversale magnetische polarisatie. En het piekt in groen licht, wat vreemd genoeg de kleur is waarvoor water het meest transparant is en dus de minste interactie heeft.
Chen en zijn medeonderzoekers hebben een fysisch mechanisme voorgesteld dat de hoek- en polarisatie-afhankelijkheid van het effect kan verklaren, wat aantoont dat de fotonen van licht een netto kracht op watermoleculen aan het wateroppervlak kunnen uitoefenen die voldoende is om ze los te slaan van de watermoleculen. waterlichaam. Maar ze kunnen de kleurafhankelijkheid nog niet verklaren, wat volgens hen verder onderzoek vereist.
Ze hebben dit het fotomoleculaire effect genoemd, naar analogie met het foto-elektrische effect dat in 1887 werd ontdekt door Heinrich Hertz en uiteindelijk werd verklaard door Albert Einstein in 1905. Dat effect was een van de eerste demonstraties dat licht ook deeltjeskarakteristieken heeft, wat grote gevolgen had. in de natuurkunde en leidde tot een grote verscheidenheid aan toepassingen, waaronder LED's. Net zoals het foto-elektrische effect elektronen vrijmaakt uit atomen in een materiaal als reactie op de botsing met een foton van licht, laat het fotomoleculaire effect zien dat fotonen hele moleculen van een vloeibaar oppervlak kunnen bevrijden, zeggen de onderzoekers.
"De vondst van verdamping veroorzaakt door licht in plaats van warmte levert nieuwe disruptieve kennis op over de interactie tussen licht en water", zegt Xiulin Ruan, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Purdue University, die niet bij het onderzoek betrokken was.
"Het zou ons kunnen helpen een nieuw inzicht te krijgen in de manier waarop zonlicht interageert met wolken, mist, oceanen en andere natuurlijke waterlichamen om het weer en klimaat te beïnvloeden. Het heeft aanzienlijke potentiële praktische toepassingen, zoals hoogwaardige waterontzilting aangedreven door zonne-energie. Dit onderzoek behoort tot de zeldzame groep werkelijk revolutionaire ontdekkingen die niet meteen algemeen door de gemeenschap worden aanvaard, maar het duurt enige tijd, soms zelfs lang, voordat ze worden bevestigd."
Een cloudraadsel oplossen
De bevinding kan een 80 jaar oud mysterie in de klimaatwetenschap oplossen. Metingen van hoe wolken zonlicht absorberen hebben vaak aangetoond dat ze meer zonlicht absorberen dan de conventionele natuurkunde voorschrijft. De extra verdamping die door dit effect wordt veroorzaakt, zou de al lang bestaande discrepantie kunnen verklaren, wat een onderwerp van discussie is omdat dergelijke metingen moeilijk uit te voeren zijn.
"Die experimenten zijn gebaseerd op satellietgegevens en vluchtgegevens", legt Chen uit. ‘Ze vliegen met een vliegtuig boven en onder de wolken, en er zijn ook gegevens gebaseerd op de oceaantemperatuur en de stralingsbalans. En ze concluderen allemaal dat er meer absorptie door wolken plaatsvindt dan de theorie zou kunnen berekenen. Maar vanwege de complexiteit van wolken en de moeilijkheden bij het maken van dergelijke metingen, hebben onderzoekers gedebatteerd over de vraag of dergelijke discrepanties reëel zijn of niet. En wat we ontdekten suggereert dat er een ander mechanisme is voor wolkenabsorptie, waar geen rekening mee werd gehouden, en dit mechanisme zou de discrepanties kunnen verklaren. "
Chen zegt dat hij onlangs over het fenomeen sprak op een conferentie van de American Physical Society, en een natuurkundige daar die wolken en klimaat bestudeert, zei dat ze nooit aan deze mogelijkheid hadden gedacht, die berekeningen van de complexe effecten van wolken op het klimaat zou kunnen beïnvloeden. Het team voerde experimenten uit met LED's die op een kunstmatige wolkenkamer schijnen en observeerde de opwarming van de mist, wat niet de bedoeling was omdat water in het zichtbare spectrum niet absorbeert.
"Een dergelijke verhitting kan gemakkelijker worden verklaard op basis van het fotomoleculaire effect", zegt hij.
Lv zegt dat van de vele bewijzen, "het vlakke gebied in de temperatuurverdeling aan de luchtzijde boven heet water het gemakkelijkst voor mensen zal zijn om zich voort te planten." Dat temperatuurprofiel “is een signatuur” die het effect duidelijk laat zien, zegt hij.
Zhang voegt eraan toe:"Het is vrij moeilijk uit te leggen hoe dit soort vlakke temperatuurprofielen tot stand komen zonder een beroep te doen op een ander mechanisme" dat verder gaat dan de geaccepteerde theorieën over thermische verdamping. Hij vervolgt:"Het verbindt wat heel veel mensen melden in hun zonne-ontziltingsapparatuur", die opnieuw verdampingssnelheden laten zien die niet kunnen worden verklaard door de thermische input.
Het effect kan aanzienlijk zijn. Onder de optimale omstandigheden wat betreft kleur, hoek en polarisatie, zegt Lv, "is de verdampingssnelheid vier keer de thermische limiet."
Sinds de publicatie van het eerste artikel is het team al benaderd door bedrijven die het effect hopen te benutten, zegt Chen, onder meer voor het verdampen van siroop en het drogen van papier in een papierfabriek. De meest waarschijnlijke eerste toepassingen zullen komen op het gebied van zonne-ontziltingssystemen of andere industriële droogprocessen, zegt hij.
"Drogen verbruikt 20 procent van al het industriële energieverbruik", benadrukt hij.
Omdat het effect zo nieuw en onverwacht is, zegt Chen:"Dit fenomeen zou heel algemeen moeten zijn, en ons experiment is eigenlijk nog maar het begin." De experimenten die nodig zijn om het effect aan te tonen en te kwantificeren zijn zeer tijdrovend. "Er zijn veel variabelen, van het begrijpen van water zelf tot de uitbreiding naar andere materialen, andere vloeistoffen en zelfs vaste stoffen", voegt hij eraan toe.
‘De observaties in het manuscript wijzen op een nieuw fysiek mechanisme dat ons denken over de kinetiek van verdamping fundamenteel verandert’, zegt Shannon Yee, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Georgia Tech, die niet bij dit werk betrokken was. "Wie had ooit gedacht dat we nog steeds leren over zoiets alledaags als water dat verdampt?"
“Ik denk dat dit werk wetenschappelijk gezien van groot belang is, omdat het een nieuw mechanisme presenteert”, zegt Janet A.W., hoogleraar aan de Universiteit van Alberta. Elliott, die ook niet bij dit werk betrokken was. "Het kan ook praktisch belangrijk blijken te zijn voor de technologie en ons begrip van de natuur, omdat de verdamping van water alomtegenwoordig is en het effect aanzienlijk hogere verdampingssnelheden lijkt te opleveren dan het bekende thermische mechanisme. ... Mijn algemene indruk is dat dit werk uitstekend is. Het lijkt zorgvuldig te zijn gedaan met veel precieze experimenten die elkaar ondersteunen."