La evaporación está ocurriendo a nuestro alrededor todo el tiempo, desde el sudor que enfría nuestros cuerpos hasta el rocío que desaparece de las hojas de las plantas ante el sol de la mañana. Pero es posible que la ciencia haya pasado por alto hasta ahora un fenómeno relacionado con la evaporación y que el conocimiento sobre esta haya estado incompleto en un aspecto básico.
En los últimos años, algunos investigadores se han quedado perplejos al comprobar que el agua de sus experimentos, que se mantenía en un material parecido a una esponja y conocido como hidrogel, se evaporaba a un ritmo mayor del que podría explicarse por la cantidad de calor, o energía térmica, que recibía el agua. Y el exceso ha sido significativo: el doble, el triple o incluso más, de la tasa máxima teórica.
Después de llevar a cabo una serie de nuevos experimentos y simulaciones, y de reexaminar algunos de los resultados de varios grupos que afirmaban haber superado el límite térmico, un equipo de investigadores del MIT ha llegado a una sorprendente conclusión: en determinadas condiciones, en la interfaz donde el agua Cuando se encuentra con el aire, la luz puede provocar directamente la evaporación sin necesidad de calor y, de hecho, lo hace incluso de manera más eficiente que el calor. En estos experimentos, el agua se mantuvo en un material de hidrogel, pero los investigadores sugieren que el fenómeno también puede ocurrir en otras condiciones.
Los hallazgos se publican esta semana en un artículo en PNAS , por el postdoctorado del MIT Yaodong Tu, el profesor de ingeniería mecánica Gang Chen y otras cuatro personas.
El fenómeno podría desempeñar un papel en la formación y evolución de la niebla y las nubes y, por tanto, sería importante incorporarlo a los modelos climáticos para mejorar su precisión, afirman los investigadores. Y podría desempeñar un papel importante en muchos procesos industriales, como la desalinización del agua con energía solar, permitiendo quizás alternativas al paso de convertir primero la luz solar en calor.
Los nuevos hallazgos son una sorpresa porque el agua en sí misma no absorbe la luz en un grado significativo. Es por eso que puedes ver claramente a través de muchos pies de agua limpia la superficie que se encuentra debajo. Entonces, cuando el equipo comenzó a explorar el proceso de evaporación solar para la desalinización, primero colocaron partículas de un material negro que absorbe la luz en un recipiente con agua para ayudar a convertir la luz solar en calor.
Luego, el equipo se topó con el trabajo de otro grupo que había logrado una tasa de evaporación que duplicaba el límite térmico, que es la mayor cantidad posible de evaporación que puede tener lugar para una determinada entrada de calor, basándose en principios físicos básicos como la conservación. de energía. Fue en estos experimentos que el agua se unió en un hidrogel. Aunque inicialmente se mostraron escépticos, Chen y Tu comenzaron sus propios experimentos con hidrogeles, incluido un trozo del material del otro grupo. «Lo probamos en nuestro simulador solar y funcionó», confirmando la tasa de evaporación inusualmente alta, dice Chen. “Entonces les creímos ahora”. Luego, Chen y Tu comenzaron a fabricar y probar sus propios hidrogeles.
Comenzaron a sospechar que el exceso de evaporación estaba siendo causado por la propia luz: que los fotones de luz en realidad estaban arrancando haces de moléculas de agua de la superficie del agua. Este efecto sólo se produciría en la capa límite entre el agua y el aire, en la superficie del material de hidrogel y quizás también en la superficie del mar o en la superficie de las gotas de las nubes o la niebla.
En el laboratorio, monitorearon la superficie de un hidrogel, una matriz similar a gelatina que consiste principalmente en agua unida por una red de membranas delgadas similar a una esponja. Midieron sus respuestas a la luz solar simulada con longitudes de onda controladas con precisión.
Los investigadores sometieron la superficie del agua a diferentes colores de luz en secuencia y midieron la tasa de evaporación. Lo hicieron colocando un recipiente de hidrogel cargado de agua en una báscula y midiendo directamente la cantidad de masa perdida por evaporación, además de monitorear la temperatura sobre la superficie del hidrogel. Las luces estaban protegidas para evitar que introdujeran calor adicional. Los investigadores descubrieron que el efecto variaba con el color y alcanzaba su punto máximo en una longitud de onda particular de luz verde. Esta dependencia del color no tiene relación con el calor y, por lo tanto, respalda la idea de que es la luz misma la que causa al menos parte de la evaporación.
Los investigadores intentaron duplicar la tasa de evaporación observada con la misma configuración pero usando electricidad para calentar el material y sin luz. Aunque el aporte térmico fue el mismo que en la otra prueba, la cantidad de agua que se evaporó nunca superó el límite térmico. Sin embargo, lo hizo cuando la luz solar simulada estaba encendida, confirmando que la luz era la causa de la evaporación adicional.
Aunque el agua en sí misma no absorbe mucha luz, y tampoco lo hace el material de hidrogel, cuando los dos se combinan se convierten en fuertes absorbentes, dice Chen. Eso permite que el material aproveche la energía de los fotones solares de manera eficiente y supere el límite térmico, sin necesidad de tintes oscuros para la absorción.
Habiendo descubierto este efecto, al que han denominado efecto fotomolecular, los investigadores ahora están trabajando en cómo aplicarlo a las necesidades del mundo real. Tienen una subvención del Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel del MIT para estudiar el uso de este fenómeno para mejorar la eficiencia de los sistemas de desalinización alimentados por energía solar, y una subvención Bose para explorar los efectos del fenómeno en la modelización del cambio climático.
Tu explica que en los procesos de desalinización estándar, “normalmente tiene dos pasos: primero evaporamos el agua hasta convertirla en vapor y luego necesitamos condensar el vapor para licuarlo y convertirlo en agua dulce”. Con este descubrimiento, afirma, potencialmente “podremos lograr una alta eficiencia en el lado de la evaporación”. El proceso también podría tener aplicaciones en procesos que requieran secar un material.
Chen dice que, en principio, cree que podría ser posible aumentar hasta tres o cuatro veces el límite de agua producida por la desalinización solar, que actualmente es de 1,5 kilogramos por metro cuadrado, utilizando este enfoque basado en la luz. «Esto podría conducir potencialmente a una desalinización barata», afirma.
Tu añade que este fenómeno también podría aprovecharse en los procesos de enfriamiento por evaporación, utilizando el cambio de fase para proporcionar un sistema de enfriamiento solar altamente eficiente.
Mientras tanto, los investigadores también están trabajando estrechamente con otros grupos que están intentando replicar los hallazgos, con la esperanza de superar el escepticismo que ha enfrentado los hallazgos inesperados y la hipótesis que se está avanzando para explicarlos.
El equipo de investigación también incluyó a Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohammed Alshrah y Xuanhe Zhao, todos en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.
