تبخیر همیشه در اطراف ما اتفاق می افتد، از عرق که بدن ما را خنک می کند تا شبنم که در آفتاب صبح می سوزد. اما درک علم از این فرآیند فراگیر ممکن است در تمام این مدت گم شده باشد.
در سال‌های اخیر، برخی از محققان وقتی متوجه شدند که آب در آزمایش‌هایشان که در ماده‌ای اسفنج مانند به نام هیدروژل وجود دارد، با سرعت بیشتری تبخیر می‌شود که بتوان آن را با مقدار گرما یا انرژی حرارتی توضیح داد. که آب داشت می آمد و مازاد قابل توجه است – دو یا حتی سه برابر یا بیشتر از حداکثر سرعت نظری.
پس از انجام یک سری آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های جدید و بررسی مجدد برخی از نتایج حاصل از گروه‌های مختلف که ادعا می‌کنند از حد حرارتی فراتر رفته‌اند، تیمی از محققان موسسه فناوری ماساچوست به یک نتیجه شگفت‌انگیز رسیدند: تحت شرایط خاص، در مرز در جایی که آب با هوا برخورد می کند، نور می تواند مستقیماً بدون نیاز به گرما باعث تبخیر شود و در واقع این کار را حتی کارآمدتر از گرما انجام می دهد. در این آزمایشات، آب در یک ماده هیدروژل به دام افتاده بود، اما محققان فرض کردند که این پدیده می تواند در شرایط دیگری نیز رخ دهد.
این یافته ها این هفته در مقاله ای در نشریه منتشر شد PNASاز استاد دانشگاه MIT Yaodong Tu، استاد مهندسی مکانیک Gang Chen و چهار نفر دیگر.
به گفته محققان، این پدیده ممکن است در شکل‌گیری و تکامل مه و ابرها نقش داشته باشد و بنابراین گنجاندن آن در مدل‌های اقلیمی برای بهبود دقت آنها بسیار مهم است. و می‌تواند نقش مهمی در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، مانند نمک‌زدایی آب خورشیدی ایفا کند و شاید جایگزین‌هایی را برای مرحله اول تبدیل نور خورشید به گرما فراهم کند.
یافته‌های جدید غافلگیرکننده هستند زیرا آب به خودی خود نور را به میزان قابل توجهی جذب نمی‌کند. به همین دلیل است که می‌توانید از میان چندین فوت آب شفاف به سطح زیرین به وضوح ببینید. بنابراین هنگامی که این تیم در ابتدا شروع به بررسی فرآیند تبخیر خورشیدی برای نمک زدایی کردند، ابتدا ذرات یک ماده سیاه رنگ و جذب کننده نور را در ظرفی از آب قرار دادند تا به تبدیل نور خورشید به گرما کمک کنند.
سپس تیم به کار گروه دیگری برخورد کرد که به نرخ تبخیر دو برابر حد حرارتی دست یافته بودند – که بالاترین میزان تبخیر ممکن است که می تواند برای ورودی گرمای معین انجام شود، بر اساس اصول فیزیکی اولیه مانند حفظ انرژی. در این آزمایشات، آب در یک هیدروژل متصل شد. اگرچه در ابتدا شک داشتند، اما چن و تو آزمایش های خود را با هیدروژل ها، از جمله برخی از مواد گروه دیگر، آغاز کردند. چن می گوید: “ما آن را تحت شبیه ساز خورشیدی خود آزمایش کردیم و کار کرد.” “پس حالا ما آنها را باور کردیم.” سپس چن و تو شروع به ساخت و آزمایش هیدروژل های خود کردند.
آنها شروع به شک کردند که تبخیر بیش از حد ناشی از خود نور است – که فوتون‌های نور در واقع دسته‌هایی از مولکول‌های آب را که از سطح آب رها می‌شوند، از بین می‌برند. این اثر فقط در لایه مرزی بین آب و هوا، در سطح ماده هیدروژل – و شاید هم در سطح دریا یا سطوح قطرات در ابرها یا مه رخ می دهد.
در آزمایشگاه، آنها سطح یک هیدروژل را مشاهده کردند، یک ماتریس شبیه به JELL-O که بیشتر از آب تشکیل شده است که توسط یک شبکه اسفنج مانند از غشاهای نازک متصل شده است. آنها پاسخ آن را به نور خورشید شبیه سازی شده با طول موج های دقیق کنترل شده اندازه گیری کردند.
محققان سطح آب را به ترتیب در معرض رنگ های مختلف نور قرار دادند و سرعت تبخیر را اندازه گرفتند. آنها این کار را با قرار دادن ظرفی از هیدروژل مملو از آب روی یک ترازو و اندازه گیری مستقیم مقدار جرم از دست رفته در اثر تبخیر و همچنین نظارت بر دمای بالای سطح هیدروژل انجام دادند. چراغ ها برای جلوگیری از وارد شدن گرمای اضافی محافظ بودند. محققان دریافتند که اثر بر اساس رنگ متفاوت است و در طول موج مشخصی از نور سبز به اوج خود می رسد. چنین وابستگی رنگی به گرما ارتباطی ندارد و بنابراین این ایده را تایید می کند که نور خود حداقل باعث تبخیر می شود.
محققان تلاش کردند تا میزان تبخیر مشاهده شده را با همان تنظیمات تکرار کنند، اما از الکتریسیته برای گرم کردن مواد و بدون نور استفاده کردند. اگرچه گرمای ورودی مانند آزمایش دیگر بود، اما مقدار آبی که تبخیر می‌شود هرگز از حد مجاز حرارت فراتر نمی‌رفت. با این حال، هنگامی که نور خورشید شبیه سازی شده روشن شد، این کار را انجام داد و تأیید کرد که نور عامل تبخیر اضافی است.
چن می‌گوید اگرچه آب به تنهایی نور زیادی را جذب نمی‌کند و خود ماده هیدروژل نیز نمی‌تواند، وقتی این دو با هم ترکیب می‌شوند، به جاذب‌های قوی تبدیل می‌شوند. این به مواد اجازه می دهد تا به طور موثر از انرژی فوتون خورشیدی استفاده کنند و از حد حرارتی فراتر رود بدون نیاز به رنگ های جذب تیره.
پس از کشف این اثر، که آنها آن را اثر فوتومولکولی نامیدند، اکنون محققان در حال کار بر روی چگونگی اعمال آن در نیازهای دنیای واقعی هستند. آنها کمک هزینه ای از آزمایشگاه سیستم های آب و غذای عبداللطیف جمیل برای کشف استفاده از این پدیده برای بهبود کارایی سیستم های نمک زدایی با انرژی خورشیدی و همچنین کمک مالی از Bose برای مطالعه اثرات این پدیده بر مدل سازی تغییرات آب و هوایی دریافت کرده اند.
تو توضیح می دهد که در فرآیندهای نمک زدایی استاندارد، “معمولا دو مرحله وجود دارد: ابتدا آب را تبخیر می کنیم و به بخار تبدیل می کنیم و سپس باید بخار را متراکم کنیم تا به آب شیرین تبدیل شود.” او می گوید که با این کشف، به طور بالقوه می توانیم به کارایی بالایی در سمت بخار دست یابیم. این فرآیند همچنین ممکن است در فرآیندهایی که نیاز به خشک کردن مواد دارند کاربرد داشته باشد.
چن می‌گوید که اصولاً فکر می‌کند ممکن است با استفاده از این رویکرد مبتنی بر نور، حد آب تولید شده توسط نمک‌زدایی خورشیدی، که در حال حاضر 1.5 کیلوگرم بر متر مربع است، به سه یا چهار برابر افزایش یابد. او می گوید: «این به طور بالقوه می تواند واقعاً منجر به نمک زدایی کم هزینه شود.
تو اضافه می کند که این پدیده می تواند به طور بالقوه در فرآیندهای خنک کننده تبخیری نیز مورد بهره برداری قرار گیرد و از تغییر فاز برای ارائه یک سیستم خنک کننده خورشیدی بسیار کارآمد استفاده شود.
در همین حال، محققان همچنین در حال همکاری نزدیک با گروه‌های دیگری هستند که سعی در تکرار یافته‌ها دارند، به این امید که بر شک و تردیدی که با یافته‌های غیرمنتظره و فرضیه ارائه شده برای توضیح آنها مواجه است، غلبه کنند.
تیم تحقیقاتی همچنین شامل Jiawei Zhou، Shaoting Lin، Mohammed Alshrah و Xuanhe Zhao هستند که همگی از دپارتمان مهندسی مکانیک MIT هستند.
