Les tempêtes successives qui ont frappé l’Espagne ces dernières semaines ont quelque peu atténué la situation critique des réservoirs, mais une sécheresse persistante menace d’endommager les cultures et d’imposer des restrictions d’eau dans plusieurs régions du pays. En effet, l’année hydrologique 2022-2023 s’est terminée avec des précipitations inférieures de 12 % à la normale. Cependant, à l’horizon se profilent déjà des développements technologiques et scientifiques capables d’inverser la situation, tant au niveau domestique pour économiser l’eau qu’au niveau des infrastructures, avec des usines de dessalement fonctionnant avec des panneaux solaires flottants.
Justement, le dessalement est l’un des processus les plus récemment étudiés dans des institutions comme le prestigieux Massachusetts Institute of Technology (MIT), par des équipes qui cherchent à augmenter l’efficacité des systèmes existants en réduisant la consommation d’énergie. Aujourd’hui, un autre groupe a analysé les découvertes les plus prometteuses et a trouvé un résultat surprenant : la capacité de la lumière, sans avoir besoin de chaleur, à évaporer l’eau. Cela implique la possibilité de fabriquer un système jusqu’à quatre fois plus efficace que ceux qui utilisent actuellement l’énergie solaire pour obtenir de l’eau potable qui, par conséquent, sera moins cher et plus facile à obtenir.
La clé est de mieux comprendre le processus d’évaporation et le rôle de la lumière dans celui-ci. Pour ce faire, le chercheur postdoctoral Yaodong Tu, le professeur de génie mécanique Gang Chen et quatre autres chercheurs du MIT ont réalisé une série d’expériences et de simulations dont les résultats ont été publiés dans la revue spécialisée PNAS. La conclusion, aussi surprenante soit-elle, est claire : « ce processus d’évaporation photomoléculaire pourrait se produire à grande échelle dans la nature. Il aurait un impact significatif sur le cycle de l’eau de la Terre et sur le changement climatique, ainsi que sur Applications potentielles dans les technologies de l’eau propre et de l’énergie« .
Lumière sans chaleur
L’évaporation est un phénomène physique de l’eau qui consiste en le passage lent et progressif d’un état liquide à un état gazeux. Pour y parvenir, il lui faut suffisamment d’énergie pour vaincre la tension superficielle, qui se manifeste par de la sueur, de la rosée ou de la condensation sur une fenêtre en raison de la différence thermique entre l’intérieur et l’extérieur d’une maison.
Cependant, de nombreux chercheurs ont trouvé des résultats qui ne correspondaient pas à ce qui avait été établi précédemment. Dans ses expériences, l’eau s’est évaporée plus rapidement que la normale compte tenu de la quantité de chaleur qu’elle a reçue. Et ce n’était pas quelque chose d’anecdotique : le taux était le double, voire le triple du maximum selon la théorie de l’évaporation.
Scientifiques du MIT travaillant au laboratoire d’énergie mécanique du MIT Omicrono
Les résultats surprenants ont commencé à attirer l’attention de l’équipe du MIT alors qu’elle étudiait le processus d’évaporation solaire utilisé pour le dessalement. Pour tester dans quelle mesure la lumière pouvait être un élément déterminant, ils ont mis particules d’un matériau absorbant la lumière noire dans un récipient rempli d’eau.
Pour procéder à des vérifications plus approfondies, ils ont étudié les travaux d’autres chercheurs qui avaient atteint un taux d’évaporation qui doublait la limite thermique, s’agglutinant en un hydrogel aux propriétés surprenantes. « Nous l’avons testé dans notre simulateur solaire et cela a fonctionné », explique Chen dans déclarations recueillies par MIT Review. Surmontant leur scepticisme initial, les scientifiques chinois ont alors commencé à fabriquer et tester leurs propres hydrogels.
[El invento contra la sequía para tener siempre agua potable: desala gastando un 90% menos de energía]
L’excès d’évaporation a confirmé ses soupçons : c’est la lumière qui était à l’origine de cet effet, avec photons responsables de la libération de faisceaux de molécules d’eau. Cela ne s’est produit que sur la surface de l’hydrogel, mais le principe est le même qui peut être appliqué à la surface de la mer, aux gouttes de pluie ou même au brouillard.
Pour obtenir des résultats concluants, Tu et Chen ont soumis les hydrogels à divers tests en laboratoire. Le plus décisif fut le contrôle de la réponse de la surface de l’hydrogel éclairée par une lumière de différentes longueurs d’onde (et donc de couleurs différentes).
L’un des tests de feu vert réalisés par les chercheurs du MIT Omicrono
Le taux d’évaporation a été mesuré avec une balance de précision : ils ont placé l’hydrogel chargé d’eau et mesuré la quantité de masse perdue, en plus de contrôler la température. L’effet variait considérablement selon la couleur de la lumière, et atteint son niveau maximum avec une longueur d’onde de lumière verte.
Les chercheurs ont voulu confirmer leur hypothèse avec un dernier test : doubler le taux d’évaporation en utilisant l’électricité pour chauffer le matériau sans qu’il soit exposé à la lumière. Le résultat confirme ce qu’ils supposaient : la quantité d’eau évaporée ne dépassait pas la limite thermique, ce qui confirmait que l’effet était dû à la lumière.
Applications
Ce phénomène, plus efficace que la chaleur pour obtenir de l’eau potable, pourrait jouer un rôle crucial « dans la formation et l’évolution du brouillard et des nuages ». Cela impliquerait un examen approfondi et à grande échelle des modèles climatiquespour améliorer sa précision et l’appliquer à la prévention des catastrophes naturelles ou aux prévisions liées au réchauffement climatique.
Cela servirait également à transformer les processus qui nécessitent le séchage d’un matériau et le refroidissement par évaporation, « en utilisant le changement de phase pour fournir un système de refroidissement solaire très efficace. » Mais surtout, « elle pourrait jouer un rôle important dans de nombreux procédés industriels, comme le dessalement de l’eau grâce à l’énergie solaire ». Le principal problème de l’eau dessalée est son coût très élevé, qui affecte ses utilisateurs finaux, notamment les agriculteurs qui l’utilisent pour irriguer leurs cultures.
Projet de centrale solaire pour l’usine de dessalement de Las Palmas III Desal + Living Lab Omicrono
Cette constatation impliquerait une forte réduction du prix de l’eau dessalée. En principe, cela permettrait d’augmenter la limite d’eau produite par le dessalement solaire, actuellement évaluée à 1,5 kilogramme par mètre carré. Cet effet, appelé effet photomoléculaire, nous permet d’augmenter ce chiffre jusqu’à trois ou quatre fois. Potentiellement, ces hydrogels nous permettraient de « sauter » l’étape de première conversion de la lumière solaire en chaleur, de sorte qu’il n’y aurait pas besoin de panneaux solaires pour fonctionner.
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