الضوء يمكن أن يجعل الماء يتبخر دون الحاجة إلى حرارة.. فرصة لأساليب جديدة لتحلية المياه بتكلفة أقل

يحدث التبخر في كل مكان حولنا طوال الوقت، بدءًا من العرق الذي يبرد أجسادنا وحتى الندى المحترق في شمس الصباح، لكن فهم العلم لهذه العملية المنتشرة في كل مكان ربما كان يفتقد جزءًا منها طوال هذا الوقت.

في السنوات الأخيرة، تحير بعض الباحثين عندما اكتشفوا أن الماء في تجاربهم، والذي كان موجودًا في مادة تشبه الإسفنج تُعرف باسم الهلام المائي، كان يتبخر بمعدل أعلى مما يمكن تفسيره بكمية الحرارة، أو الطاقة الحرارية، أن المياه كانت تستقبل، وكان الفائض كبيراً، إذ تضاعف المعدل الأقصى النظري، أو حتى ثلاثة أضعافه، أو أكثر.

بعد إجراء سلسلة من التجارب والمحاكاة الجديدة، وإعادة فحص بعض النتائج من مجموعات مختلفة ادعت أنها تجاوزت الحد الحراري، توصل فريق من الباحثين فيال إلى نتيجة مذهلة: في ظل ظروف معينة، عند السطح البيني حيث الماء مع الهواء، يمكن للضوء أن يسبب التبخر مباشرة دون الحاجة إلى الحرارة، وهو في الواقع يفعل ذلك بكفاءة أكبر من الحرارة.

وفي هذه التجارب، تم احتجاز الماء في مادة هيدروجيل، لكن الباحثين يشيرون إلى أن هذه الظاهرة قد تحدث في ظروف أخرى أيضًا.

تم نشر النتائج هذا الأسبوع في ورقة بحثية في مجلة PNAS ، بقلم ياودونج تو، باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وأستاذ الهندسة الميكانيكية جانج تشن، وأربعة آخرين.

تطور الضباب والغيوم

يقول الباحثون، إن هذه الظاهرة قد تلعب دورًا في تكوين وتطور الضباب والغيوم، وبالتالي سيكون من المهم دمجها في النماذج المناخية لتحسين دقتها، وقد يلعب أيضًا دورًا مهمًا في العديد من العمليات الصناعية مثل تحلية المياه بالطاقة الشمسية، وربما يتيح بدائل لخطوة تحويل ضوء الشمس إلى حرارة أولاً.

وتأتي النتائج الجديدة بمثابة مفاجأة لأن الماء نفسه لا يمتص الضوء بأي درجة كبيرة. ولهذا السبب يمكنك الرؤية بوضوح من خلال أقدام كثيرة من الماء النظيف إلى السطح بالأسفل. لذلك، عندما بدأ الفريق في البداية باستكشاف عملية التبخر الشمسي لتحلية المياه، قاموا أولاً بوضع جزيئات من مادة سوداء ماصة للضوء في وعاء من الماء للمساعدة في تحويل ضوء الشمس إلى حرارة.

بعد ذلك، صادف الفريق عمل مجموعة أخرى حققت معدل تبخر مضاعفًا للحد الحراري، وهو أعلى مقدار ممكن من التبخر يمكن أن يحدث لمدخل معين من الحرارة، استنادًا إلى المبادئ الفيزيائية الأساسية مثل الحفاظ على الحرارة. من الطاقة.

في هذه التجارب تم ربط الماء بالهيدروجيل. على الرغم من أنهما كانا متشككين في البداية، إلا أن تشين وتو بدأا تجاربهما الخاصة مع الهلاميات المائية، بما في ذلك قطعة من المادة من المجموعة الأخرى.

اختبار الهلاميات المائية

يقول تشين: “لقد اختبرناه تحت جهاز محاكاة الطاقة الشمسية، وقد نجح الأمر”، مما يؤكد معدل التبخر المرتفع بشكل غير عادي، “لذلك صدقناهم الآن”، ثم بدأ تشين وتو في صنع واختبار الهلاميات المائية الخاصة بهما.

بدأوا يشكون في أن التبخر الزائد كان سببه الضوء نفسه، وأن فوتونات الضوء كانت في الواقع تطرد حزمًا من جزيئات الماء من سطح الماء، لن يحدث هذا التأثير، إلا عند الطبقة الحدودية بين الماء والهواء، على سطح مادة الهيدروجيل، وربما أيضًا على سطح البحر أو أسطح القطرات في السحب أو الضباب.

في المختبر، قاموا بمراقبة سطح الهلام المائي، وهو عبارة عن مصفوفة تشبه JELL-O تتكون في الغالب من الماء المرتبط بشبكة تشبه الإسفنج من الأغشية الرقيقة، وقاموا بقياس استجاباتها لأشعة الشمس المحاكية بأطوال موجية يتم التحكم فيها بدقة.

قام الباحثون بتعريض سطح الماء لألوان مختلفة من الضوء بالتسلسل وقاسوا معدل التبخر.

لقد فعلوا ذلك عن طريق وضع حاوية مملوءة بالماء من الهيدروجيل على مقياس وقياس كمية الكتلة المفقودة بسبب التبخر بشكل مباشر، بالإضافة إلى مراقبة درجة الحرارة فوق سطح الهيدروجيل. كانت الأضواء محمية لمنعها من التعرض للحرارة الزائدة.

ووجد الباحثون أن التأثير يختلف باختلاف اللون ويبلغ ذروته عند طول موجة معين من الضوء الأخضر.

وهذا الاعتماد على اللون ليس له علاقة بالحرارة، وبالتالي يدعم فكرة أن الضوء نفسه هو الذي يسبب على الأقل بعضًا من التبخر.

الضوء هو سبب التبخر الزائد

حاول الباحثون تكرار معدل التبخر المرصود بنفس الإعداد، ولكن باستخدام الكهرباء لتسخين المادة، بدون ضوء، على الرغم من أن المدخلات الحرارية كانت هي نفسها كما في الاختبار الآخر، فإن كمية الماء التي تبخرت لم تتجاوز الحد الحراري أبدًا، ومع ذلك، فقد فعلت ذلك عندما كانت محاكاة ضوء الشمس قيد التشغيل، مما يؤكد أن الضوء هو سبب التبخر الزائد.

على الرغم من أن الماء نفسه لا يمتص الكثير من الضوء، وكذلك مادة الهيدروجيل نفسها، إلا أنه عندما يجتمع الاثنان يصبحان ماصين قويين، كما يقول تشين، وهذا يسمح للمادة بتسخير طاقة الفوتونات الشمسية بكفاءة وتجاوز الحد الحراري، دون الحاجة إلى أي أصباغ داكنة للامتصاص.

التأثير الجزيئي الضوئي

وبعد اكتشاف هذا التأثير، والذي أطلقوا عليه اسم التأثير الجزيئي الضوئي، يعمل الباحثون الآن على كيفية تطبيقه على احتياجات العالم الحقيقي، ويخططون لدراسة استخدام هذه الظاهرة لتحسين كفاءة أنظمة تحلية المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية، واستكشاف تأثيرات هذه الظاهرة على نمذجة تغير المناخ.

ويوضح تو أنه في عمليات تحلية المياه القياسية، “تتكون عادةً من خطوتين: أولاً نقوم بتبخير الماء وتحويله إلى بخار، ثم نحتاج إلى تكثيف البخار لتسييله إلى مياه عذبة”.

ويقول إنه مع هذا الاكتشاف، من المحتمل أن نتمكن من تحقيق كفاءة عالية في جانب التبخر ، يمكن أن تتحول العملية أيضًا إلى تطبيقات في العمليات التي تتطلب تجفيف المادة.

يقول تشن، إنه يعتقد من حيث المبدأ أنه قد يكون من الممكن زيادة الحد الأقصى للمياه المنتجة عن طريق تحلية المياه بالطاقة الشمسية، والذي يبلغ حاليًا 1.5 كيلوجرام لكل متر مربع، بما يصل إلى ثلاثة أو أربعة أضعاف باستخدام هذا النهج القائم على الضوء.

ويقول: “من المحتمل أن يؤدي هذا إلى تحلية مياه رخيصة الثمن”، ويضيف تو أنه من الممكن أيضًا الاستفادة من هذه الظاهرة في عمليات التبريد بالتبخير، وذلك باستخدام تغيير الطور لتوفير نظام تبريد شمسي عالي الكفاءة.

وفي الوقت نفسه، يعمل الباحثون أيضًا بشكل وثيق مع مجموعات أخرى تحاول تكرار النتائج، على أمل التغلب على الشكوك التي واجهت النتائج غير المتوقعة والفرضية التي يتم تقديمها لتفسيرها.

وضم فريق البحث أيضًا جياوي تشو، وشاوتينج لين، ومحمد الشراح، وشوانخه تشاو، وجميعهم في قسم الهندسة الميكانيكية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.