MIT-Studie: Licht kann Wasser ohne Wärme verdampfen lassen
(news.mit.edu)- Wasserverdunstung wurde üblicherweise durch Wärmezufuhr erklärt, doch Forschende am MIT kommen zu dem Schluss, dass Licht an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft direkt Verdunstung auslösen kann
- In Hydrogel gebundenes Wasser verdunstete in bisherigen Experimenten mehr als 2- bis 3-mal schneller als die thermische Grenze erlaubt; das MIT-Team bestätigte dies durch neue Experimente, Simulationen und eine erneute Prüfung früherer Ergebnisse
- Wurde Licht verschiedener Farben eingestrahlt, hing die Verdunstungsrate von der Wellenlänge ab und erreichte bei einer grünen Wellenlänge ihren Höhepunkt; wurde dieselbe Wärmezufuhr durch elektrische Heizung bereitgestellt, wurde die Grenze nicht überschritten
- Die Forschenden nennen dieses Phänomen photomolecular effect und untersuchen, wie es sich für solare Entsalzung, Trocknung und Verdunstungskühlung nutzen lässt
- Da es auch die Bildung und Entwicklung von Nebel und Wolken beeinflussen könnte, bleiben die Genauigkeit von Klimamodellen und die Reproduktionsprüfung durch andere Forschungsgruppen wichtige Aufgaben
Ein möglicherweise fehlender Faktor im Verständnis der Wasserverdunstung
- Verdunstung ist ein vertrautes Phänomen, etwa bei der Kühlung durch Schweiß oder beim Tau, der im Morgenlicht verschwindet; doch im wissenschaftlichen Verständnis dieses Prozesses könnte es eine Lücke gegeben haben
- In den letzten Jahren beobachteten einige Forschende, dass Wasser in Hydrogel, einem schwammartigen Material, deutlich schneller verdunstet, als sich durch die aufgenommene Wärmemenge erklären lässt
- Die zusätzliche Verdunstungsrate konnte das theoretische Maximum um das 2-Fache oder sogar um mehr als das 3-Fache übersteigen
- Das theoretische Maximum bezeichnet die maximale Verdunstungsmenge, die mit einer gegebenen Wärmezufuhr nach grundlegenden physikalischen Prinzipien wie der Energieerhaltung möglich ist
Schlussfolgerungen und Paper der MIT-Forschenden
- Nach neuen Experimenten und Simulationen sowie einer erneuten Prüfung der Ergebnisse mehrerer Gruppen, die eine Überschreitung der thermischen Grenze berichtet hatten, kommen die MIT-Forschenden zu dem Schluss, dass an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft Licht selbst Verdunstung auslösen kann
- In den Experimenten befand sich das Wasser in Hydrogel, doch die Forschenden gehen davon aus, dass dieses Phänomen auch unter anderen Bedingungen auftreten kann
- Die Forschungsergebnisse wurden im PNAS-Paper „Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit.“ veröffentlicht
Warum die Entdeckung überraschend ist
- Wasser selbst absorbiert Licht kaum, weshalb man selbst mehrere Meter unter der Oberfläche von klarem Wasser noch relativ scharf sehen kann
- Auch die Forschenden gaben dem Wasser zunächst schwarze lichtabsorbierende Partikel bei, um Sonnenlicht in Wärme umzuwandeln, als sie den Verdunstungsprozess für solare Entsalzung untersuchten
- Später stießen sie auf eine Studie einer anderen Gruppe, die bei in Hydrogel gebundenem Wasser Verdunstungsraten erreicht hatte, die doppelt so hoch waren wie die thermische Grenze; das MIT-Team war zunächst skeptisch
- Chen und Tu begannen eigene Experimente, unter anderem mit Hydrogelstücken dieser Gruppe, und stellten unter einem Sonnensimulator ungewöhnlich hohe Verdunstungsraten fest
Versuchsaufbau und zentrale Belege
- Die Forschenden untersuchten die Oberfläche eines JELL-O-ähnlichen Hydrogels, das überwiegend aus Wasser besteht und in einem dünnen, schwammartigen Gitter gebunden ist
- Sie bestrahlten die Hydrogeloberfläche nacheinander mit simuliertem Sonnenlicht präzise kontrollierter Wellenlängen und maßen die Verdunstungsrate
- Ein Behälter mit wasserhaltigem Hydrogel wurde auf eine Waage gestellt, um den durch Verdunstung abnehmenden Massewert direkt zu messen
- Gleichzeitig wurde die Temperatur über der Hydrogeloberfläche überwacht
- Die Beleuchtung wurde abgeschirmt, damit sie keine zusätzliche Wärme einbrachte
- Der Verdunstungseffekt variierte je nach Lichtfarbe und erreichte bei einer bestimmten grünen Wellenlänge sein Maximum
- Diese Farbabhängigkeit ist allein mit Wärme schwer zu erklären und stützt die Interpretation, dass Licht selbst einen Teil der Verdunstung verursacht
- Wurde dasselbe Material in derselben Apparatur ohne Licht elektrisch erhitzt, um die gleiche Wärmezufuhr bereitzustellen, überschritt die Verdunstungsmenge die thermische Grenze nicht
- Wurde dagegen das simulierte Sonnenlicht eingeschaltet, wurde die thermische Grenze überschritten; damit wurde bestätigt, dass Licht die Ursache der zusätzlichen Verdunstung ist
Die Hypothese des photomolecular effect
- Die Forschenden gehen davon aus, dass Photonen des Lichts an der Wasseroberfläche direkt Verbände von Wassermolekülen ablösen können
- Dieser Effekt kann nur in der Wasser-Luft-Grenzschicht an der Hydrogeloberfläche auftreten
- Möglicherweise tritt dasselbe Phänomen auch an der Meeresoberfläche oder an der Oberfläche von Wassertröpfchen in Wolken und Nebel auf
- Chen zufolge absorbieren weder Wasser selbst noch Hydrogel selbst viel Licht, doch in Kombination werden beide zu einem starken Absorber
- Diese Kombination kann die Energie von Photonen des Sonnenlichts auch ohne dunkle Farbstoffe effizient nutzen und die thermische Grenze überschreiten
Anwendungsmöglichkeiten für Entsalzung, Trocknung und Kühlung
- Die Forschenden nennen diesen Effekt photomolecular effect und untersuchen praktische Nutzungsmöglichkeiten
- Mit Unterstützung des Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab am MIT arbeiten sie an einer Verbesserung der Effizienz solarer Entsalzungssysteme
- Über den Bose Grant untersuchen sie die Auswirkungen dieses Phänomens auf die Modellierung des Klimawandels
- Standardverfahren zur Entsalzung bestehen meist aus zwei Schritten
- Zunächst wird Wasser zu Dampf verdunstet
- Anschließend wird der Dampf kondensiert und zu Süßwasser verflüssigt
- Tu sieht in dieser Entdeckung eine Möglichkeit, die Effizienz der Verdunstungsphase zu steigern
- Chen hält es im Prinzip für möglich, die derzeitige Grenze der Wasserproduktion bei solarer Entsalzung von 1,5 kg pro Quadratmeter mit einem lichtbasierten Ansatz um das 3- bis 4-Fache zu erhöhen
- Auch Prozesse, bei denen Materialien getrocknet werden müssen, könnten davon profitieren
- Tu sieht zudem Anwendungspotenzial in Verdunstungskühlprozessen, die über Phasenwechsel hocheffiziente solare Kühlsysteme bereitstellen
Klimamodelle und Reproduktionsprüfung
- Dieses Phänomen könnte die Bildung und Entwicklung von Nebel und Wolken beeinflussen
- In diesem Fall könnte es wichtig sein, den Effekt in Modelle aufzunehmen, um die Genauigkeit von Klimamodellen zu verbessern
- Um Skepsis gegenüber den unerwarteten Ergebnissen und der sie erklärenden Hypothese zu überwinden, arbeiten die Forschenden eng mit anderen Gruppen zusammen, die versuchen, die Ergebnisse zu reproduzieren
2 Kommentare
Nur nach dem Titel zu urteilen, dachte ich zuerst, es sei etwas Ähnliches wie der photoelektrische Effekt.
Meinungen auf Hacker News
Die Forschenden sagten, der Effekt erreiche bei einer bestimmten grünen Wellenlänge seinen Höhepunkt; ich frage mich, ob das auch Auswirkungen auf die Photosynthese hat.
Ich erinnere mich, dass Pflanzen grün erscheinen, weil Chlorophyll kein Grün absorbiert; vielleicht liegt es ja daran, dass grünes Licht zu viel Verdunstung auslöst.
Grün ist im sichtbaren Bereich mit Abstand am hellsten, dunkles Violett am wenigsten hell. Pflanzen, die Violett reflektieren, könnten am meisten sichtbares Licht absorbieren und damit am meisten Zucker produzieren. Die meisten Pflanzen brauchen einen chemischen Umschaltvorgang, um vom Produktionsmodus in einen Dunkelmodus zu wechseln; indem sie Grün reflektieren, verzichten sie gewissermaßen auf maximale Energieproduktion und gewinnen dafür interne chemische Stabilität.
Pflanzen haben kein Herz, das Blut pumpt und Nährstoffe verteilt; um Nährstoffe von den Wurzeln nach oben zu transportieren, sind sie auf Verdunstung angewiesen.
Ich erinnere mich auch an eine Studie, wonach Bäume eine Art Nebel in die Luft abgeben; ich könnte mir vorstellen, dass grüne Blätter auch bei diesem Prozess helfen.
Ich verstehe nicht ganz, was diese Geschichte thermodynamisch bedeutet.
Ist die Energie pro Masse, die nötig ist, um flüssiges Wasser in Wasserdampf umzuwandeln, nicht festgelegt? Ich verstehe nicht, warum sie sich ändern sollte, ob diese Energie nun aus Licht kommt oder woher auch immer.
Normalerweise findet Verdunstung statt, wenn einzelne Wassermoleküle genug Wärmeenergie erhalten, um die zwischenmolekularen Bindungen zu brechen, aus der flüssigen Masse auszutreten und in die Luft überzugehen.
In diesem Fall haben sie starke Hinweise darauf gefunden, dass Wassermoleküle als mehrere Moleküle umfassende Cluster entfernt werden. In solchen Clustern sind die zwischenmolekularen Bindungen noch nicht gebrochen, daher ist weniger Wärmeenergie nötig, damit sie in die Luft übergehen, als wenn einzelne Moleküle verdunsten. Später zerfallen diese Cluster in der Luft, nehmen dabei Wärmeenergie aus der Luft auf und senken die Lufttemperatur einige Millimeter über der Probenoberfläche leicht.
Dass Verdunstung in Form molekularer Cluster stattfindet, ist ungewöhnlich und unterscheidet sich stark von der normalen Art der Verdunstung. Bevor diese Cluster in einzelne Moleküle zerfallen, kann man sie schwerlich als vollständigen Wasserdampf bezeichnen, daher bin ich nicht einmal sicher, ob man das überhaupt Verdunstung nennen sollte.
Es verdunstet also deutlich schneller, als man allein anhand der Energie pro Masse erwarten würde.
Es scheint, als träfen Photonen Moleküle, die ohnehin kurz davor sind, in die Gasphase überzugehen, und als reiche das aus, um sie wie Nebel herauszulösen. Nicht so, dass das Wasser erst erhitzt wird und dann herausspringt, sondern eher so, als würde es wie bei einem Luftbefeuchter in Richtung Gasphase gedrückt.
Das Paper unterscheidet zwischen Licht und „Wärme“, aber im Kontext dieses Experiments geht es eher darum, wie Energie übertragen wird: ob man das gesamte Wasser erhitzt oder Licht einstrahlt, das mit einzelnen Wassermolekülen wechselwirkt.
Praktisch könnte das die Verdunstungseffizienz erhöhen. Wenn man das gesamte Wasser erwärmt, sind die Verluste groß, und ein erheblicher Teil der zugeführten Energie gelangt nicht ins Wasser. Wenn man eine bestimmte Wellenlänge findet, die stark mit Wasser wechselwirkt und Verdunstung auslöst, könnte man die im Prozess verloren gehende Eingangsenergie stark reduzieren.
Aus Laiensicht gefragt: Könnte das mit dem elektromagnetischen Absorptionsspektrum von Wasser zusammenhängen?
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Absorpti...
Die im Artikel erwähnte „grüne“ Wellenlänge scheint genau an der Stelle mit der geringsten Absorption zu liegen. Bedeutet das dann, dass Wärme als Folge elektromagnetischen Widerstands entsteht? So wie Wassermoleküle durch Mikrowellen in Schwingung versetzt werden.
Ähnlich wandeln chemische UV-Schutzmittel ultraviolettes Licht in Wärme um, indem verschiedene Bindungen bestimmte Wellenlängen absorbieren und schwingen.
Das zugehörige Paper ist „Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit“ (2023): https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2312751120.
Es berichtet, dass die Verdunstungsrate bei der grünen Wellenlänge von 520 nm ihren Höhepunkt erreicht, dass die Dampftemperatur unter Lichteinwirkung niedriger wird, und stellt als Hypothese einen photomolekularen Effekt auf, bei dem Cluster von Wassermolekülen von der Oberfläche abgelöst werden. Demnach könnte das Auswirkungen auf Natur, Klima und Pflanzenwachstum sowie auf sauberes Wasser und Energietechnologien haben.
Ich frage mich, ob kostengünstige integrierte Photonik bei Dingen wie Entsalzung oder Sterilisation helfen könnte. Dazu gibt es auch integrierte Photonikverfahren mit unterschiedlichen Produktionskosten: https://news.ycombinator.com/context?id=38056088
Wirklich cool, aber es verwirrt mich, warum man das nicht schon früher zufällig entdeckt hat.
Schon eine grobe Überschlagsrechnung hätte das ziemlich klar zeigen müssen – oder hat es eher mit den Besonderheiten des verwendeten Hydrogels zu tun?
Er beschrieb, wie die Messwerte für die Elektronenladung nach und nach besser wurden: Zahlen, die deutlich über dem Millikan-Wert lagen, hielt man für fehlerhaft und fand dann einen Grund dafür; lagen sie näher am Millikan-Wert, war man weniger skeptisch. So kam es dazu, dass zu stark abweichende Zahlen aussortiert wurden, und heute kennen wir solche Tricks und leiden weniger unter dieser Krankheit.
https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
In Chemie, Materialwissenschaft und Physik der kondensierten Materie passiert so etwas ständig. Die kombinierbaren Möglichkeiten sind unbegrenzt, und nur einige davon sind interessant. Solche Phänomene herauszuarbeiten erfordert viel Handarbeit.
Zwei Dinge interessieren mich, die im Artikel nicht zu sehen waren, aber sicher irgendwo berücksichtigt wurden:
wie sich die Bindungsstärke zwischen von Wasser umgebenen Wassermolekülen und Wasser im Hydrogel unterscheidet, und wie groß der Unterschied im Partialdruck ist, wenn eine reine Wasseroberfläche der Luft ausgesetzt ist gegenüber einer Wasser-Hydrogel-Oberfläche, die der Luft ausgesetzt ist.
Das scheint sehr spannende Anschlussforschung zu erfordern.
Ich glaube, hier gibt es ein Missverständnis. Diese Studie hat einen unbekannten Mechanismus gefunden, bei dem Wasser Licht absorbiert, das es normalerweise nicht absorbieren würde, wenn es sich in der Grenzschicht des Hydrogels befindet, und dadurch schneller verdampft als bei bloßer Erwärmung.
Wenn es kein Fehler oder keine nicht nachhaltige Nebenreaktion ist, könnte das Prozesse, bei denen Verdampfung nötig ist, etwa Entsalzung, günstiger machen.
Viele scheinen es allerdings so zu verstehen, als würde es gegen den Energieerhaltungssatz verstoßen.
Ich frage mich, wie lange es dauert, bis jemand herausfindet, wie man diesen Effekt zum Bau einer Wärmepumpe nutzen kann.
Da kein Kompressor nötig ist, könnte eine solche „photomolekulare Wärmepumpe“ vielleicht leichter zu miniaturisieren sein. Ich frage mich auch, ob andere Lösungsmittel oder Kältemittel als Wasser effizientere Arbeitsmedien wären – wirklich spannend.
Vermutlich ist gemeint, den photomolekularen Effekt zu nutzen, um das Kältemittel im Verdampfer einer Wärmepumpe zum Kochen zu bringen. Kochen ist aber ein Volumenprozess, der eintritt, wenn die Temperatur der Flüssigkeit ausreichend steigt und alle zwischenmolekularen Bindungen zu brechen beginnen. Verdunstung ist ein Prozess an der Oberfläche, bei dem einige Moleküle zufällig aus den zwischenmolekularen Bindungen entkommen und sich mit der umgebenden Luft vermischen. Anders als der Name nahelegt, findet im Verdampfer einer Wärmepumpe keine Verdunstung statt, sondern Kochen.
Der photomolekulare Effekt verursacht kein Kochen, sondern nur Verdunstung. Man würde im Verdampfer auch keine echte Verdunstung wollen. Man bräuchte Luft, und dann müsste man zusammen mit dem Kältemittel eine Menge Luft komprimieren, was sehr viel Energie verschwenden würde.
Das Erste, was mir einfiel, war eine Anwendung in Kühltürmen. Kühltürme kühlen verschiedene Prozessfluide durch Wasserverdunstung. In einem Kühlturm will man aber, dass die Verdunstung Wärme aus dem Wasser aufnimmt und so dessen Temperatur senkt. Dieser Effekt nutzt die Wärme von Licht und Luft und verringert damit tatsächlich die Wärmemenge, die dem Wasser entzogen wird.
Falls es eine technische Anwendung gibt, dann wahrscheinlich dort, wo das eigentliche Ziel die Verdunstung des Wassers selbst ist, etwa bei Trocknungsprozessen oder passiver Entsalzung.
Gang Chen ist die Person, die vor Kurzem im Zusammenhang mit Forschungskooperationen mit China von der US-Regierung zu Unrecht diffamiert und angeklagt wurde.
Schön zu sehen, dass er wieder auf die Beine kommt.
Zugehöriger laufender Thread: Photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit - https://news.ycombinator.com/item?id=38112574