اكتشف علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن التبخر الضوئي يمكن أن يحدث بمعدلات غير ممكنة مع الحرارة وحدها، وخاصة في المياه المرتبطة بالهيدروجيل. يمكن لهذا “التأثير الجزيئي الضوئي” أن يحدث ثورة في تحلية المياه بالطاقة الشمسية ونمذجة المناخ، وزيادة إنتاج المياه ثلاث مرات في عمليات تحلية المياه وتحسين تقنيات التبريد بالطاقة الشمسية.

قد تفسر العملية التي تم تحديدها حديثًا مجموعة متنوعة من الظواهر الطبيعية وتمكن من اتباع أساليب جديدة لتحلية المياه.

من العرق الذي يبرد أجسادنا إلى الندى الذي يحترق في شمس الصباح، يحدث التبخر في كل مكان حولنا طوال الوقت. لكن الفهم العلمي لهذه العملية المنتشرة في كل مكان يفتقد حاليًا بعض الشيء.

في السنوات الأخيرة، تحير بعض الباحثين من حقيقة أن الماء الموجود في مادة تشبه الإسفنج تسمى الهلام المائي يتبخر بمعدل أعلى بكثير من كمية الحرارة أو الطاقة الحرارية. ، كان يحصل على الماء. والفائض كبير – ضعف أو ثلاثة أضعاف أو أكثر من المعدل الأقصى النظري.

وفقا لدراسة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، عند التفاعل بين الماء والهواء، يمكن للضوء، في ظل ظروف معينة، أن يؤدي إلى التبخر دون الحاجة إلى الحرارة.

اكتشاف التبخر الناجم عن الضوء

وبعد إجراء سلسلة من التجارب والمحاكاة الجديدة، وإعادة فحص بعض نتائج المجموعات المختلفة التي يزعم أنها تجاوزت العتبة الحرارية، توصل فريق الباحثين مع لقد تم التوصل إلى نتيجة مذهلة: في ظل ظروف معينة، عند السطح البيني حيث يلتقي الماء بالهواء، يمكن للضوء أن يسبب التبخر المباشر دون الحاجة إلى الحرارة، وهو في الواقع يفعل ذلك بكفاءة أكبر من الحرارة. وفي هذه التجارب، تم وضع الماء في مادة هيدروجيل، لكن الباحثين يشيرون إلى أن هذه الظاهرة يمكن أن تحدث في ظروف أخرى أيضًا.

ونشرت النتائج في ورقة هذا الأسبوع بناسياودونغ تو، باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وأستاذ الهندسة الميكانيكية جانج تشن وأربعة آخرون.

في المختبر، لاحظ الباحثون سطح الهلام المائي، وهو عبارة عن مصفوفة تشبه JELL-O مرتبطة ببعضها البعض بواسطة أغشية رقيقة تشبه الإسفنج تحتوي في معظمها على الماء. تظهر هذه الصور عينات هيدروجيل المعدة، مع الصف العلوي يظهر الحالات المجمدة (A) أو المجففة (C، E، G)، والصف السفلي يظهر “الحالات المنتفخة”. شكر وتقدير: بإذن من الباحثين

وقد تلعب هذه الظاهرة دورًا في تكوين وتطور الضباب والسحب، لذا سيكون من المهم اقتران النماذج المناخية لتحسينها. دقةيقول الباحثون. ومن الممكن أن تلعب دوراً مهماً في العديد من العمليات الصناعية، مثل تحلية المياه بالطاقة الشمسية، وربما تمكن من إيجاد بدائل للخطوة الأولى المتمثلة في تحويل ضوء الشمس إلى حرارة.

الآثار المترتبة على البحث

النتائج الجديدة مثيرة للدهشة لأن الماء نفسه لا يمتص الضوء إلى حد كبير. ولهذا السبب يمكنك رؤية السطح بالأسفل بوضوح من خلال عدة أقدام من الماء الصافي. لذلك عندما شرع الفريق في البداية في دراسة عملية التبخر الشمسي لتحلية المياه،​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​ ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​ ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​يدخل إلى أسفل القائمة، يتم إنفاق مبلغ صغير من المال عليها.

وفي وقت لاحق، شاهد الفريق عمل مجموعة أخرى حققت معدلات تبخر تبلغ ضعف الحد الحراري، وهو الحد الأقصى للتبخر الذي يمكن أن يحدث لمدخل حراري معين بناءً على مبادئ فيزيائية أساسية مثل الحفاظ على البيئة. طاقة. في هذه التجارب تم ربط الماء بالهيدروجيل. على الرغم من أنهما كانا متشككين في البداية، إلا أن تشين ودو بدأا تجاربهما الخاصة مع الهلاميات المائية، بما في ذلك قطعة من بقية الفريق.

يقول تشين: “لقد اختبرناه تحت جهاز محاكاة الطاقة الشمسية الخاص بنا وقد نجح الأمر”، مما يؤكد معدل التبخر المرتفع بشكل غير عادي. “لذا، نحن نثق بهم الآن.” ثم بدأ تشين ودو في تطوير واختبار الهلاميات المائية الخاصة بهما.

بدأوا يشكون في أن التبخر الزائد كان سببه الضوء، حيث كانت فوتونات الضوء تطرد في الواقع حزمًا من جزيئات الماء من سطح الماء. ويحدث هذا التأثير فقط في الطبقة الحدودية بين الماء والهواء، على سطح مادة الهيدروجيل – وربما على سطح المحيط أو على سطح قطرات الماء في السحب أو الضباب.

في المختبر، قاموا بتتبع سطح الهلام المائي، وهو عبارة عن مصفوفة تشبه JELL-O مرتبطة ببعضها البعض بواسطة شبكة تشبه الإسفنج مكونة من أغشية رقيقة في الغالب. وقاموا بقياس استجاباتها لأشعة الشمس المحاكية بأطوال موجية يتم التحكم فيها بدقة.

يتم تبخر نفثات من المكثفات البيضاء على الزجاج من هيدروجيل باستخدام ضوء أخضر بدون حرارة. شكر وتقدير: بإذن من الباحثين

وأخضع الباحثون سطح الماء لسلسلة من الأضواء الملونة المختلفة وقاموا بقياس معدل التبخر. لقد فعلوا ذلك عن طريق وضع حاوية مملوءة بالماء من هيدروجيل على مقياس، وقياس كمية الكتلة المفقودة بسبب التبخر مباشرة، ومراقبة درجة الحرارة فوق سطح الهيدروجيل. تمت حماية المصابيح لمنع دخول حرارة إضافية. ووجد الباحثون أن التأثير يختلف باختلاف اللون ويبلغ ذروته عند طول موجة محدد من الضوء الأخضر. مثل هذا التحيز اللوني لا علاقة له بالحرارة، وبالتالي يدعم فكرة أن الضوء نفسه يسبب على الأقل بعض التبخر.

وحاول الباحثون تكرار معدل التبخر المرصود في نفس النظام، لكنهم قاموا بتسخين المادة باستخدام الكهرباء، وليس الضوء. على الرغم من أن المدخلات الحرارية كانت هي نفسها كما في التجربة الأخرى، إلا أن كمية الماء المتبخر لم تتجاوز الحد الحراري. ومع ذلك، عندما تم تشغيل محاكاة ضوء الشمس، أكدت أن الضوء هو المسؤول عن التبخر الإضافي.

في حين أن الماء لا يمتص الكثير من الضوء، والمواد الهيدروجيل نفسها لا تفعل ذلك أيضًا، إلا أن الاثنين يصبحان ممتصين قويين عند دمجهما، كما يقول تشين. وهذا يسمح للمادة بتسخير طاقة الفوتونات الشمسية بكفاءة وتجاوز الحد الحراري دون الحاجة إلى أي أصباغ داكنة للامتصاص.

التطبيقات المحتملة والتعاون الحالي

وبعد اكتشاف هذا التأثير، والذي أطلقوا عليه اسم التأثير الجزيئي الضوئي، يعمل الباحثون الآن على كيفية تطبيقه على تطبيقات العالم الحقيقي. حصلوا على منحة من مختبر عبد اللطيف جميل لأنظمة المياه والغذاء التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لدراسة استخدام هذه الظاهرة لتحسين كفاءة أنظمة تحلية المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية، ومنحة Bose لدراسة آثار هذه الظاهرة على نمذجة تغير المناخ.

في عمليات تحلية المياه القياسية، “عادةً ما تتكون من خطوتين: أولاً نقوم بتبخير الماء وتحويله إلى بخار، ومن ثم يتعين علينا تسييل البخار وتحويله إلى مياه عذبة”، كما يوضح تو. ويقول إنه مع هذا الابتكار “يمكننا تحقيق كفاءة أعلى في جانب التبخر”. قد يكون لهذه العملية تطبيقات في عمليات تجفيف المادة.

يقول تشن إنه يعتقد من حيث المبدأ أن استخدام هذا النهج المعتمد على الضوء يمكن أن يضاعف نطاق المياه المنتجة عن طريق تحلية المياه بالطاقة الشمسية إلى ثلاثة أو أربعة أضعاف، والذي يبلغ حاليًا 1.5 كيلوجرام لكل متر مربع. ويقول: “قد يؤدي ذلك إلى تحلية مياه رخيصة الثمن”.

ويضيف تو أنه يمكن أيضًا استخدام هذه الظاهرة في عمليات التبريد بالتبخير، وذلك باستخدام تحويل الطور لتوفير نظام تبريد شمسي أكثر كفاءة.

وفي هذه الأثناء، يعمل الباحثون بشكل وثيق مع مجموعات أخرى تحاول تكرار النتائج، على أمل التغلب على الشكوك التي تواجهها النتائج غير المتوقعة والفرضيات المطروحة لتفسيرها.

المرجع: 30 أكتوبر 2023، “تأثير جزيئي ضوئي معقول يؤدي إلى تبخر الماء متجاوزًا العتبة الحرارية” بقلم ياودونغ تو، وجياوي تشو، وشاوتينج لين، ومحمد الشراح، وشوانخه تشاو، وجانغ تشين. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2312751120

ويضم فريق البحث أيضًا جياوي تشو وشاتينج لين ومحمد الشرا وشوانه تشاو من قسم الهندسة الميكانيكية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.