La lumière peut évaporer l’eau sans chaleur

Un processus nouvellement identifié pourrait expliquer une variété de phénomènes naturels et permettre de nouvelles approches du dessalement de l’eau.

L’évaporation se produit tout le temps autour de nous, de la sueur qui refroidit notre corps à la rosée qui brûle au soleil du matin. Mais la compréhension scientifique de ce processus omniprésent en a peut-être manqué une partie pendant tout ce temps.

Ces dernières années, certains chercheurs ont découvert avec perplexité que l’eau de leurs expériences, contenue dans une substance semblable à une éponge connue sous le nom d’hydrogel, s’évaporait à un rythme plus élevé que ce qui pouvait être expliqué par la quantité de chaleur. énergie. , que l’eau recevait. L’excédent était important : le double, voire le triple, voire plus, du taux maximum théorique.

Lorsque l’eau et l’air interagissent, la lumière peut, dans certaines conditions, déclencher l’évaporation sans avoir besoin de chaleur, selon une étude du MIT.

Détection de l’évaporation induite par la lumière

Après avoir mené une série de nouvelles expériences et simulations, et réexaminé certains résultats de différents groupes affirmant avoir dépassé la limite thermique, une équipe de chercheurs a conclu… Massachusetts Institute of Technology Il est arrivé à un résultat surprenant : dans certaines conditions, à l’interface où l’eau rencontre l’air, la lumière peut directement provoquer l’évaporation sans avoir besoin de chaleur, et le fait en fait plus efficacement que la chaleur. Dans ces expériences, l’eau était piégée dans un hydrogel, mais les chercheurs soulignent que ce phénomène peut également se produire dans d’autres circonstances.

Les résultats sont publiés cette semaine dans un article de Avec des genspar le chercheur postdoctoral du MIT Yaodong Tu, le professeur de génie mécanique Gang Chen et quatre autres.

En laboratoire, les chercheurs ont observé la surface de l’hydrogel, une matrice de type JELL-O composée principalement d’eau liée à un réseau de films minces semblable à une éponge. Ces images montrent des échantillons d’hydrogel préparés, où la rangée du haut montre les états congelés (A) ou séchés (C, E, G), et la rangée du bas montre les « états gonflés ». Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Ce phénomène pourrait jouer un rôle dans la formation et l’évolution du brouillard et des nuages, il sera donc important de l’intégrer aux modèles climatiques pour les améliorer. Précisiondisent les chercheurs. Il peut jouer un rôle important dans de nombreux processus industriels, tels que le dessalement solaire de l’eau, et peut constituer une alternative à l’étape consistant à convertir d’abord la lumière solaire en chaleur.

Implications pour la recherche

Les nouveaux résultats sont surprenants car l’eau elle-même n’absorbe pas beaucoup la lumière. C’est pourquoi vous pouvez voir clairement à travers plusieurs pieds d’eau propre jusqu’à la surface en dessous. Ainsi, lorsque l’équipe a commencé à explorer le processus d’évaporation solaire pour le dessalement, elle a d’abord placé des particules d’un matériau noir absorbant la lumière dans un bol d’eau pour aider à convertir la lumière du soleil en chaleur.

L’équipe est ensuite tombée sur les travaux d’un autre groupe qui avait atteint un taux d’évaporation à double limite thermique, soit la quantité d’évaporation la plus élevée possible pour un apport de chaleur donné, sur la base de principes physiques de base tels que la conservation de la chaleur. d’énergie. Dans ces expériences, l’eau était liée à l’hydrogel. Bien qu’ils aient été sceptiques au début, Chen et Tu ont commencé leurs propres expériences avec des hydrogels, y compris un morceau du matériau de l’autre groupe.

« Nous l’avons testé sous un simulateur solaire et cela a fonctionné », explique Chen, confirmant le taux d’évaporation inhabituellement élevé. « Donc, nous les croyons maintenant. » Chen et Tu ont alors commencé à fabriquer et à tester leurs propres hydrogels.

Ils ont commencé à soupçonner que l’évaporation excessive était causée par la lumière elle-même et que les photons lumineux expulsaient en réalité des faisceaux de molécules d’eau de la surface de l’eau. Cet effet ne se produira qu’à la couche limite entre l’eau et l’air, à la surface du matériau hydrogel, et éventuellement aussi à la surface de la mer ou à la surface des gouttelettes dans les nuages ​​ou le brouillard.

En laboratoire, ils ont surveillé la surface de l’hydrogel, une matrice de type JELL-O composée principalement d’eau liée à un réseau de films minces semblable à une éponge. Ils ont mesuré leurs réponses à la lumière solaire simulée à des longueurs d’onde précisément contrôlées.

Le jet de condensation blanc sur le verre est de l’eau qui s’évapore de l’hydrogel grâce à la lumière verte, sans chaleur. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Les chercheurs ont exposé la surface de l’eau à différentes couleurs de lumière de manière séquentielle et ont mesuré le taux d’évaporation. Pour ce faire, ils ont placé un récipient d’hydrogel rempli d’eau sur une balance et ont mesuré directement la quantité de masse perdue en raison de l’évaporation, ainsi que en surveillant la température au-dessus de la surface de l’hydrogel. Les lumières étaient protégées pour éviter toute surchauffe. Les chercheurs ont découvert que l’effet varie en fonction de la couleur et culmine à une certaine longueur d’onde de lumière verte. Cette dépendance à la couleur n’a rien à voir avec la température et conforte donc l’idée selon laquelle c’est la lumière elle-même qui provoque au moins une partie de l’évaporation.

Les chercheurs ont tenté de reproduire le taux d’évaporation observé avec la même configuration mais en utilisant de l’électricité pour chauffer le matériau, sans lumière. Bien que l’apport thermique soit le même que dans l’autre test, la quantité d’eau évaporée n’a jamais dépassé la limite thermique. Cependant, il l’a fait pendant que la simulation de la lumière solaire était en cours, confirmant que la lumière était la cause de l’évaporation excessive.

Bien que l’eau elle-même n’absorbe pas autant de lumière que l’hydrogel lui-même, lorsque les deux se réunissent, ils deviennent de puissants absorbeurs, explique Chen. Cela permet au matériau d’exploiter efficacement l’énergie des photons solaires et de dépasser la limite thermique, sans nécessiter de pigments sombres pour l’absorption.

Applications potentielles et collaboration continue

Après avoir découvert cet effet, qu’ils appellent effet photomoléculaire, les chercheurs cherchent désormais à l’appliquer aux besoins réels. Ils ont reçu une subvention du laboratoire Abdul Latif Jameel Water and Food Systems du MIT pour étudier l’utilisation de ce phénomène afin d’améliorer l’efficacité des systèmes de dessalement à énergie solaire, ainsi qu’une subvention Bose pour explorer les effets du phénomène sur la modélisation du changement climatique.

Tu explique que dans les processus de dessalement standard, « le processus de dessalement se compose généralement de deux étapes : d’abord, nous évaporons l’eau en vapeur, puis nous devons condenser la vapeur pour la liquéfier en eau douce ». Avec cette découverte, dit-il, nous serons probablement « en mesure d’atteindre une efficacité élevée du côté de l’évaporation ». Le procédé peut également avoir des applications dans des processus nécessitant un séchage du matériau.

Chen dit qu’il pense qu’en principe, il pourrait être possible d’augmenter la quantité maximale d’eau produite par le dessalement solaire, qui s’élève actuellement à 1,5 kilogramme par mètre carré, jusqu’à trois ou quatre fois en utilisant cette approche basée sur la lumière. « Cela pourrait effectivement conduire à un dessalement de l’eau à moindre coût », dit-il.

Tu ajoute que ce phénomène pourrait également être exploité dans les processus de refroidissement par évaporation, en utilisant le changement de phase pour fournir un système de refroidissement solaire très efficace.

Dans le même temps, les chercheurs travaillent également en étroite collaboration avec d’autres groupes essayant de reproduire les résultats, dans l’espoir de surmonter le scepticisme face aux résultats inattendus et aux hypothèses avancées pour les expliquer.

Référence : « Effet photomoléculaire raisonnable conduisant à l’évaporation de l’eau au-delà de la limite thermique » par Yaodong Tu, Jiawei Zhou, Xiaoting Lin, Mohamed Al-Sharrah, Xuan Zhao et Zhang Chen, 30 octobre 2023, Actes de l’Académie nationale des sciences.
est ce que je: 10.1073/pnas.2312751120

L’équipe de recherche comprenait également Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohamed Al-Sharrah et Xuanhe Zhao, tous membres du département de génie mécanique du MIT.