Uma descoberta surpreendente mostra que a luz pode fazer a água evaporar sem que o calor possa permitir novas abordagens para a dessalinização

A evaporação acontece ao nosso redor o tempo todo, desde o suor que esfria nossos corpos até o orvalho que queima sob o sol da manhã. Mas a compreensão que a ciência tem deste processo omnipresente pode ter estado a faltar uma peça durante todo este tempo.

Nos últimos anos, alguns investigadores ficaram intrigados ao descobrir que a água nas suas experiências, que era mantida num material semelhante a uma esponja conhecido como hidrogel, estava a evaporar a uma taxa mais elevada do que poderia ser explicada pela quantidade de calor, ou energia térmica. , que a água estava recebendo. O excesso foi significativo – uma duplicação, ou mesmo uma triplicação ou mais, da taxa máxima teórica.

Depois de realizar uma série de novos experimentos e simulações, e reexaminar alguns dos resultados de vários grupos que alegaram ter excedido o limite térmico, uma equipe de pesquisadores do MIT chegou a uma conclusão surpreendente: sob certas condições, na interface onde a água encontra o ar, a luz pode provocar evaporação diretamente, sem a necessidade de calor, e na verdade o faz de maneira ainda mais eficiente do que o calor. Nestes experimentos, a água foi retida em um material hidrogel, mas os pesquisadores sugerem que o fenômeno também pode ocorrer em outras condições.

As descobertas são publicadas esta semana em um papel em PNASpelo pós-doutorado do MIT Yaodong Tu, professor de engenharia mecânica Gang Chen, e quatro outros.

O fenómeno pode desempenhar um papel na formação e evolução do nevoeiro e das nuvens e, portanto, seria importante incorporar nos modelos climáticos para melhorar a sua precisão, dizem os investigadores. Poderá também desempenhar um papel importante em muitos processos industriais, como a dessalinização da água alimentada por energia solar, talvez permitindo alternativas à etapa de conversão inicial da luz solar em calor.

As novas descobertas são uma surpresa porque a própria água não absorve luz em nenhum grau significativo. É por isso que você pode ver claramente através de muitos metros de água limpa a superfície abaixo. Assim, quando a equipe começou a explorar o processo de evaporação solar para dessalinização, eles primeiro colocaram partículas de um material preto que absorve luz em um recipiente com água para ajudar a converter a luz solar em calor.

Então, a equipe se deparou com o trabalho de outro grupo que havia alcançado uma taxa de evaporação duas vezes maior que o limite térmico – que é a maior quantidade possível de evaporação que pode ocorrer para uma determinada entrada de calor, com base em princípios físicos básicos, como a conservação. de energia. Foi nessas experiências que a água foi transformada em hidrogel. Embora inicialmente céticos, Chen e Tu iniciaram seus próprios experimentos com hidrogéis, incluindo um pedaço do material do outro grupo.

“Testámo-lo no nosso simulador solar e funcionou”, confirmando a taxa de evaporação invulgarmente elevada, diz Chen. “Então, nós acreditamos neles agora.” Chen e Tu começaram então a fabricar e testar seus próprios hidrogéis.

Eles começaram a suspeitar que o excesso de evaporação estava sendo causado pela própria luz – que os fótons de luz estavam na verdade soltando feixes de moléculas de água da superfície da água. Este efeito só ocorreria na camada limite entre a água e o ar, na superfície do material hidrogel – e talvez também na superfície do mar ou nas superfícies de gotículas em nuvens ou neblina.

No laboratório, eles monitoraram a superfície de um hidrogel, uma matriz semelhante a JELL-O que consiste principalmente de água ligada por uma estrutura esponjosa de membranas finas. Eles mediram suas respostas à luz solar simulada com comprimentos de onda controlados com precisão.

Os pesquisadores submeteram a superfície da água a diferentes cores de luz em sequência e mediram a taxa de evaporação. Eles fizeram isso colocando um recipiente de hidrogel carregado de água em uma balança e medindo diretamente a quantidade de massa perdida por evaporação, além de monitorar a temperatura acima da superfície do hidrogel. As luzes foram protegidas para evitar que introduzissem calor extra. Os pesquisadores descobriram que o efeito variava com a cor e atingia o pico em um determinado comprimento de onda da luz verde. Tal dependência da cor não tem relação com o calor e, portanto, apoia a ideia de que é a própria luz que causa pelo menos parte da evaporação.

Os pesquisadores tentaram duplicar a taxa de evaporação observada com a mesma configuração, mas usando eletricidade para aquecer o material, e sem luz. Embora o aporte térmico tenha sido o mesmo do outro teste, a quantidade de água que evaporou nunca ultrapassou o limite térmico. No entanto, isso aconteceu quando a luz solar simulada estava acesa, confirmando que a luz era a causa da evaporação extra.

Embora a água em si não absorva muita luz, e nem o próprio material de hidrogel, quando os dois se combinam, tornam-se fortes absorvedores, diz Chen. Isso permite que o material aproveite a energia dos fótons solares de forma eficiente e ultrapasse o limite térmico, sem a necessidade de corantes escuros para absorção.

Tendo descoberto este efeito, que apelidaram de efeito fotomolecular, os pesquisadores estão agora trabalhando em como aplicá-lo às necessidades do mundo real. Eles planejam estudar o uso deste fenômeno para melhorar a eficiência dos sistemas de dessalinização movidos a energia solar e explorar os efeitos do fenômeno na modelagem das mudanças climáticas.

Tu explica que nos processos padrão de dessalinização, “normalmente há duas etapas: primeiro evaporamos a água em vapor e depois precisamos condensar o vapor para liquefazê-lo em água doce”. Com esta descoberta, diz ele, potencialmente “podemos alcançar alta eficiência no lado da evaporação”. O processo também pode ter aplicações em processos que requerem a secagem de um material.

Chen diz que, em princípio, pensa que pode ser possível aumentar o limite de água produzida pela dessalinização solar, que atualmente é de 1,5 quilogramas por metro quadrado, em até três ou quatro vezes, utilizando esta abordagem baseada na luz. “Isso poderia realmente levar a uma dessalinização barata”, diz ele.

Tu acrescenta que este fenômeno também poderia ser potencializado em processos de resfriamento evaporativo, usando a mudança de fase para fornecer um sistema de resfriamento solar altamente eficiente.

Entretanto, os investigadores também estão a trabalhar em estreita colaboração com outros grupos que estão a tentar replicar as descobertas, na esperança de superar o cepticismo que tem enfrentado as descobertas inesperadas e as hipóteses apresentadas para as explicar.

A equipe de pesquisa também incluiu Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohammed Alshrah e Xuanhe Zhao, todos do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT.

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.