Les scientifiques du MIT ont découvert que la lumière peut provoquer une évaporation à un taux dépassant ce qui est possible avec la chaleur seule, en particulier dans l’eau liée à l’hydrogel. Cet « effet photomoléculaire » pourrait révolutionner le dessalement solaire et la modélisation du climat, triplant potentiellement la production d’eau dans les processus de dessalement et faisant progresser les technologies de refroidissement solaire.
Un processus nouvellement identifié pourrait expliquer une variété de phénomènes naturels et permettre de nouvelles approches du dessalement.
L’évaporation se produit tout le temps autour de nous, de la sueur qui refroidit notre corps à la rosée qui brûle au soleil du matin. Mais la compréhension scientifique de ce processus omniprésent a peut-être manqué un élément pendant tout ce temps.
Ces dernières années, certains chercheurs ont été perplexes lorsqu’ils ont découvert que l’eau utilisée dans leurs expériences, qui était contenue dans un matériau semblable à une éponge appelé hydrogel, s’évaporait à un rythme plus élevé que ce qui pouvait être expliqué par la quantité de chaleur ou d’énergie thermique. , que l’eau recevait. Et le dépassement a été significatif : un doublement, voire un triplement, voire plus, du taux maximum théorique.
À l’interface de l’eau et de l’air, la lumière peut, dans certaines conditions, provoquer une évaporation sans avoir besoin de chaleur, selon une étude du MIT.
Découverte de l’évaporation induite par la lumière
Après avoir réalisé une série de nouvelles expériences et simulations, et réexaminé certains résultats de différents groupes affirmant avoir dépassé la limite thermique, une équipe de chercheurs du MIT est arrivé à une conclusion surprenante : dans certaines conditions, à l’interface où l’eau rencontre l’air, la lumière peut directement provoquer l’évaporation sans avoir besoin de chaleur, et elle le fait en fait encore plus efficacement que la chaleur. Dans ces expériences, l’eau était retenue dans un matériau hydrogel, mais les chercheurs suggèrent que le phénomène pourrait également se produire dans d’autres conditions.
Les résultats sont publiés cette semaine dans un article de PNASpar Yaodong Tu, postdoctorant au MIT, professeur de génie mécanique Gang Chen, et quatre autres.
En laboratoire, les chercheurs ont surveillé la surface d’un hydrogel, une matrice de type JELL-O constituée principalement d’eau liée par un réseau de fines membranes semblable à une éponge. Ces photos montrent des échantillons d’hydrogel préparés, la rangée du haut montrant les états congelés (A) ou secs (C, E, G), et la rangée du bas montrant les « états gonflés ». Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Le phénomène pourrait jouer un rôle dans la formation et l’évolution du brouillard et des nuages, et il serait donc important de l’intégrer dans les modèles climatiques pour améliorer leur précision, disent les chercheurs. Et cela pourrait jouer un rôle important dans de nombreux processus industriels tels que le dessalement de l’eau à l’énergie solaire, offrant peut-être des alternatives à l’étape consistant à convertir d’abord la lumière du soleil en chaleur.
Implications de la recherche
Ces nouvelles découvertes sont surprenantes car l’eau elle-même n’absorbe pas la lumière de manière significative. C’est pourquoi vous pouvez voir clairement à travers plusieurs pieds d’eau propre jusqu’à la surface en dessous. Ainsi, lorsque l’équipe a commencé à explorer le processus d’évaporation solaire pour le dessalement, elle a d’abord placé des particules d’un matériau noir absorbant la lumière dans un récipient rempli d’eau pour aider à convertir la lumière du soleil en chaleur.
Ensuite, l’équipe est tombée sur les travaux d’un autre groupe qui avait atteint un taux d’évaporation double de la limite thermique, soit la quantité d’évaporation la plus élevée possible pour un apport de chaleur donné, sur la base de principes physiques de base tels que la conservation. d’énergie. C’est dans ces expériences que l’eau était liée dans un hydrogel. Bien qu’ils aient été initialement sceptiques, Chen et Tu ont lancé leurs propres expériences avec des hydrogels, y compris un morceau du matériau de l’autre groupe.
« Nous l’avons testé sous notre simulateur solaire et cela a fonctionné », confirmant le taux d’évaporation inhabituellement élevé, explique Chen. « Donc, nous les avons cru maintenant. » Chen et Tu ont alors commencé à fabriquer et à tester leurs propres hydrogels.
Ils ont commencé à soupçonner que l’évaporation excessive était causée par la lumière elle-même – que les photons de lumière faisaient en réalité tomber des paquets de molécules d’eau de la surface de l’eau. Cet effet ne se produirait qu’à la couche limite entre l’eau et l’air, à la surface du matériau hydrogel – et peut-être aussi à la surface de la mer ou à la surface des gouttelettes dans les nuages ou le brouillard.
En laboratoire, ils ont surveillé la surface d’un hydrogel, une matrice de type JELL-O constituée principalement d’eau liée par un réseau de fines membranes semblable à une éponge. Ils ont mesuré ses réponses à la lumière solaire simulée avec des longueurs d’onde contrôlées avec précision.
Les bouffées de condensation blanche sur le verre sont de l’eau évaporée d’un hydrogel à l’aide de lumière verte, sans chaleur. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Les chercheurs ont soumis la surface de l’eau à différentes couleurs de lumière en séquence et ont mesuré le taux d’évaporation. Pour ce faire, ils ont placé un récipient d’hydrogel chargé d’eau sur une balance et ont mesuré directement la quantité de masse perdue par évaporation, ainsi que la température au-dessus de la surface de l’hydrogel. Les lumières étaient protégées pour éviter qu’elles n’introduisent une chaleur supplémentaire. Les chercheurs ont découvert que l’effet variait selon la couleur et atteignait son maximum à une longueur d’onde particulière de lumière verte. Une telle dépendance à la couleur n’a aucun rapport avec la chaleur et conforte donc l’idée selon laquelle c’est la lumière elle-même qui provoque au moins une partie de l’évaporation.
Les chercheurs ont tenté de reproduire le taux d’évaporation observé avec la même configuration, mais en utilisant de l’électricité pour chauffer le matériau, et pas de lumière. Même si l’apport thermique était le même que dans l’autre test, la quantité d’eau évaporée n’a jamais dépassé la limite thermique. Cependant, cela s’est produit lorsque la lumière solaire simulée était allumée, confirmant que la lumière était la cause de l’évaporation supplémentaire.
Bien que l’eau elle-même n’absorbe pas beaucoup de lumière, pas plus que le matériau hydrogel lui-même, lorsque les deux se combinent, ils deviennent de puissants absorbeurs, explique Chen. Cela permet au matériau d’exploiter efficacement l’énergie des photons solaires et de dépasser la limite thermique, sans avoir besoin de colorants sombres pour l’absorption.
Applications potentielles et collaboration continue
Après avoir découvert cet effet, qu’ils ont baptisé effet photomoléculaire, les chercheurs travaillent désormais sur la manière de l’appliquer aux besoins réels. Ils bénéficient d’une subvention du laboratoire Abdul Latif Jameel Water and Food Systems du MIT pour étudier l’utilisation de ce phénomène afin d’améliorer l’efficacité des systèmes de dessalement à énergie solaire, ainsi que d’une subvention Bose pour explorer les effets du phénomène sur la modélisation du changement climatique.
Tu explique que dans les processus de dessalement standard, « cela comporte normalement deux étapes : d’abord, nous évaporons l’eau en vapeur, puis nous devons condenser la vapeur pour la liquéfier en eau douce ». Avec cette découverte, dit-il, « nous pouvons potentiellement atteindre une efficacité élevée du côté de l’évaporation ». Le procédé pourrait également s’avérer avoir des applications dans des processus nécessitant le séchage d’un matériau.
Chen dit qu’en principe, il pense qu’il pourrait être possible d’augmenter la limite d’eau produite par le dessalement solaire, qui est actuellement de 1,5 kilogramme par mètre carré, jusqu’à trois ou quatre fois en utilisant cette approche basée sur la lumière. « Cela pourrait potentiellement conduire à un dessalement bon marché », dit-il.
Tu ajoute que ce phénomène pourrait également être exploité dans les processus de refroidissement par évaporation, en utilisant le changement de phase pour fournir un système de refroidissement solaire très efficace.
Parallèlement, les chercheurs travaillent également en étroite collaboration avec d’autres groupes qui tentent de reproduire les résultats, dans l’espoir de surmonter le scepticisme face aux résultats inattendus et aux hypothèses avancées pour les expliquer.
L’équipe de recherche comprenait également Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohammed Alshrah et Xuanhe Zhao, tous membres du département de génie mécanique du MIT.
