Wie Licht Wasser verdampfen lässt, ohne dass Hitze erforderlich ist

Dabei handelt es sich um die grundlegendsten Prozesse – die Verdunstung von Wasser von der Oberfläche von Ozeanen und Seen, das Abbrennen von Nebel in der Morgensonne und das Austrocknen von Salztümpeln, wodurch festes Salz zurückbleibt. Verdunstung ist überall um uns herum, und der Mensch beobachtet sie und macht sich sie zunutze, seit es uns gibt.

Und doch hat sich herausgestellt, dass uns von Anfang an ein großer Teil des Bildes entgangen ist.

In einer Reihe akribisch präziser Experimente hat ein Forscherteam am MIT gezeigt, dass nicht nur Hitze die Verdunstung von Wasser verursacht. Licht, das auf die Wasseroberfläche trifft, wo Luft und Wasser aufeinander treffen, kann Wassermoleküle aufbrechen und in die Luft schweben lassen, wodurch es bei Abwesenheit jeglicher Wärmequelle zu Verdunstung kommt.

Die erstaunliche neue Entdeckung könnte eine Vielzahl bedeutender Auswirkungen haben. Es könnte dazu beitragen, mysteriöse Messungen über die Auswirkungen des Sonnenlichts auf Wolken im Laufe der Jahre zu erklären und somit Berechnungen der Auswirkungen des Klimawandels auf Wolkenbedeckung und Niederschlag zu beeinflussen. Es könnte auch zu neuen Möglichkeiten für die Gestaltung industrieller Prozesse wie der solarbetriebenen Entsalzung oder der Trocknung von Materialien führen.

Die Ergebnisse und die vielen verschiedenen Beweislinien, die die Realität des Phänomens und die Einzelheiten seiner Funktionsweise belegen, sind es beschrieben heute in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenin einem Artikel von Carl Richard Soderberg, Professor für Energietechnik Gang Chen, den Postdoktoranden Guangxin Lv und Yaodong Tu und dem Doktoranden James Zhang.

Die Autoren sagen, dass ihre Studie darauf hindeutet, dass der Effekt in der Natur weit verbreitet sein sollte – von Wolken über Nebel bis hin zu den Oberflächen von Ozeanen, Böden und Pflanzen – und dass er auch zu neuen praktischen Anwendungen führen könnte, unter anderem in der Energie- und sauberen Wasserproduktion.

„Ich denke, das hat viele Anwendungsmöglichkeiten“, sagt Chen. „Wir erforschen all diese verschiedenen Richtungen. Und natürlich hat es auch Auswirkungen auf die Grundlagenforschung, etwa die Auswirkungen von Wolken auf das Klima, denn Wolken sind der unsicherste Aspekt von Klimamodellen.“

Ein neu entdecktes Phänomen

Das neue Werk baut darauf auf Forschung berichtete letztes Jahr, das diesen neuen „photomolekularen Effekt“ beschrieb, allerdings nur unter sehr speziellen Bedingungen: auf der Oberfläche speziell präparierter, mit Wasser getränkter Hydrogele. In der neuen Studie zeigen die Forscher, dass das Hydrogel für den Prozess nicht notwendig ist; Es tritt an jeder Wasseroberfläche auf, die Licht ausgesetzt ist, egal ob es sich um eine flache Oberfläche wie ein Gewässer oder eine gekrümmte Oberfläche wie ein Wolkendampftropfen handelt.

Da der Effekt so unerwartet war, arbeitete das Team daran, seine Existenz mit möglichst vielen verschiedenen Beweislinien zu beweisen. In dieser Studie berichten sie über 14 verschiedene Arten von Tests und Messungen, die sie durchgeführt haben, um nachzuweisen, dass Wasser tatsächlich verdunstet – das heißt, Wassermoleküle wurden von der Wasseroberfläche gelöst und in die Luft geschleudert – allein aufgrund des Lichts. nicht durch Hitze, von der lange angenommen wurde, dass sie der einzige beteiligte Mechanismus ist.

Ein wichtiger Indikator, der sich in vier verschiedenen Arten von Experimenten unter unterschiedlichen Bedingungen konsistent zeigte, war, dass die über der Wasseroberfläche gemessene Lufttemperatur abkühlte und sich dann einpendelte, als das Wasser unter sichtbarem Licht aus einem Testbehälter zu verdunsten begann dass thermische Energie nicht die treibende Kraft hinter dem Effekt war.

Weitere wichtige Indikatoren, die sich zeigten, waren die Art und Weise, wie der Verdunstungseffekt je nach Lichtwinkel, der genauen Farbe des Lichts und seiner Polarisation variierte. Keine dieser unterschiedlichen Eigenschaften sollte auftreten, da Wasser bei diesen Wellenlängen kaum Licht absorbiert – und dennoch beobachteten die Forscher sie.

Der Effekt ist am stärksten, wenn Licht in einem Winkel von 45 Grad auf die Wasseroberfläche trifft. Es ist auch am stärksten bei einer bestimmten Art von Polarisation, der sogenannten transversalen magnetischen Polarisation. Und es erreicht seinen Höhepunkt im grünen Licht – das ist seltsamerweise die Farbe, für die Wasser am transparentesten ist und daher am wenigsten interagiert.

Chen und seine Co-Forscher haben einen physikalischen Mechanismus vorgeschlagen, der die Winkel- und Polarisationsabhängigkeit des Effekts erklären kann und zeigen, dass die Photonen des Lichts eine Nettokraft auf Wassermoleküle an der Wasseroberfläche ausüben können, die ausreicht, um sie von der Wasseroberfläche zu lösen Gewässer. Sie können die Farbabhängigkeit jedoch noch nicht erklären, was ihrer Meinung nach weiterer Untersuchung bedarf.

Sie nannten dies den photomolekularen Effekt, in Anlehnung an den photoelektrischen Effekt, der 1887 von Heinrich Hertz entdeckt und schließlich 1905 von Albert Einstein erklärt wurde. Dieser Effekt war einer der ersten Beweise dafür, dass Licht auch Teilcheneigenschaften hat, was große Auswirkungen hatte in der Physik und führte zu einer Vielzahl von Anwendungen, darunter auch LEDs. So wie der photoelektrische Effekt Elektronen aus Atomen in einem Material freisetzt, wenn er von einem Lichtphoton getroffen wird, zeigt der photomolekulare Effekt, dass Photonen ganze Moleküle von einer Flüssigkeitsoberfläche freisetzen können, sagen die Forscher.

„Die Feststellung, dass Verdunstung durch Licht statt durch Wärme verursacht wird, liefert neue, bahnbrechende Erkenntnisse über die Licht-Wasser-Wechselwirkung“, sagt Xiulin Ruan, Professor für Maschinenbau an der Purdue University, der nicht an der Studie beteiligt war.

„Es könnte uns helfen, ein neues Verständnis darüber zu erlangen, wie Sonnenlicht mit Wolken, Nebel, Ozeanen und anderen natürlichen Gewässern interagiert und sich auf Wetter und Klima auswirkt. Es hat erhebliche potenzielle praktische Anwendungen wie die leistungsstarke Wasserentsalzung durch Sonnenenergie. Diese Forschung.“ gehört zu der seltenen Gruppe wirklich revolutionärer Entdeckungen, die von der Gemeinschaft nicht sofort allgemein akzeptiert werden, deren Bestätigung jedoch Zeit, manchmal sogar lange, in Anspruch nimmt.“

Lösung eines Cloud-Rätsels

Der Befund könnte ein 80 Jahre altes Rätsel der Klimawissenschaft lösen. Messungen darüber, wie Wolken Sonnenlicht absorbieren, haben oft gezeigt, dass sie mehr Sonnenlicht absorbieren, als die konventionelle Physik vorgibt. Die durch diesen Effekt verursachte zusätzliche Verdunstung könnte für die seit langem bestehende Diskrepanz verantwortlich sein, die umstritten ist, da solche Messungen schwierig durchzuführen sind.

„Diese Experimente basieren auf Satellitendaten und Flugdaten“, erklärt Chen. „Sie fliegen mit einem Flugzeug über und unter den Wolken, und es gibt auch Daten, die auf der Temperatur des Ozeans und der Strahlungsbilanz basieren. Und sie alle kommen zu dem Schluss, dass es mehr Absorption durch Wolken gibt, als die Theorie berechnen könnte. Allerdings aufgrund der Komplexität von Wolken und die Schwierigkeiten, solche Messungen durchzuführen, haben Forscher darüber diskutiert, ob solche Diskrepanzen real sind oder nicht. Und was wir entdeckt haben, deutet darauf hin, dass es einen anderen Mechanismus für die Wolkenabsorption gibt, der nicht berücksichtigt wurde, und dieser Mechanismus könnte die Diskrepanzen erklären. „

Chen sagt, er habe kürzlich auf einer Konferenz der American Physical Society über das Phänomen gesprochen, und ein dortiger Physiker, der Wolken und Klima untersucht, sagte, er habe noch nie über diese Möglichkeit nachgedacht, die sich auf Berechnungen der komplexen Auswirkungen von Wolken auf das Klima auswirken könnte. Das Team führte Experimente mit LEDs durch, die auf eine künstliche Nebelkammer strahlten, und beobachtete eine Erwärmung des Nebels, die eigentlich nicht passieren sollte, da Wasser das sichtbare Spektrum nicht absorbiert.

„Eine solche Erwärmung lässt sich leichter mit dem photomolekularen Effekt erklären“, sagt er.

Lv sagt, dass von den vielen Beweislinien „der flache Bereich in der luftseitigen Temperaturverteilung über heißem Wasser für Menschen am einfachsten zu reproduzieren sein wird.“ Dieses Temperaturprofil „ist eine Signatur“, die den Effekt deutlich zeigt, sagt er.

Zhang fügt hinzu: „Es ist ziemlich schwer zu erklären, wie diese Art von flachem Temperaturprofil zustande kommt, ohne auf einen anderen Mechanismus zurückzugreifen“, der über die anerkannten Theorien der thermischen Verdunstung hinausgeht. Er fährt fort: „Es passt zu dem, was viele Leute über ihre solaren Entsalzungsgeräte berichten“, die wiederum Verdunstungsraten aufweisen, die nicht durch den Wärmeeintrag erklärt werden können.

Der Effekt kann erheblich sein. Unter den optimalen Bedingungen von Farbe, Winkel und Polarisation beträgt die Verdunstungsrate laut Lv das Vierfache der thermischen Grenze.

Bereits seit der Veröffentlichung des ersten Papiers seien Unternehmen an das Team herangetreten, die den Effekt nutzen wollten, sagt Chen, unter anderem für die Eindampfung von Sirup und die Trocknung von Papier in einer Papierfabrik. Die wahrscheinlichsten ersten Anwendungen werden in den Bereichen solarer Entsalzungsanlagen oder anderen industriellen Trocknungsprozessen liegen, sagt er.

„Das Trocknen verbraucht 20 Prozent des gesamten industriellen Energieverbrauchs“, betont er.

Weil der Effekt so neu und unerwartet ist, sagt Chen: „Dieses Phänomen sollte sehr allgemein sein, und unser Experiment ist eigentlich erst der Anfang.“ Die notwendigen Experimente zum Nachweis und zur Quantifizierung der Wirkung sind sehr zeitaufwändig. „Es gibt viele Variablen, vom Verständnis des Wassers selbst bis hin zur Ausweitung auf andere Materialien, andere Flüssigkeiten und sogar Feststoffe“, fügt er hinzu.

„Die Beobachtungen im Manuskript deuten auf einen neuen physikalischen Mechanismus hin, der unser Denken über die Kinetik der Verdunstung grundlegend verändert“, sagt Shannon Yee, außerordentliche Professorin für Maschinenbau an der Georgia Tech, die nicht an dieser Arbeit beteiligt war. „Wer hätte gedacht, dass wir immer noch etwas über etwas so Alltägliches wie die Verdunstung von Wasser lernen?“

„Ich denke, diese Arbeit ist wissenschaftlich sehr bedeutsam, weil sie einen neuen Mechanismus darstellt“, sagt die angesehene Professorin Janet AW Elliott von der University of Alberta, die ebenfalls nicht mit dieser Arbeit in Verbindung stand. „Es könnte sich auch als praktisch wichtig für die Technik und unser Verständnis der Natur erweisen, denn die Verdunstung von Wasser ist allgegenwärtig und der Effekt scheint deutlich höhere Verdunstungsraten zu liefern als der bekannte thermische Mechanismus. … Mein Gesamteindruck ist, dass diese Arbeit hervorragend ist.“ Es scheint sorgfältig durchgeführt worden zu sein, mit vielen präzisen Experimenten, die sich gegenseitig unterstützen.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.