کشف غافلگیرکننده یک ویژگی ناشناخته نور

خبرآنلاین: فرآیند تبخیر همیشه در اطراف ما رخ می‌دهد؛ از عرقی که بدن ما را خنک می‌کند گرفته تا شبنمی که در نور آفتاب صبح ناپدید می‌شود. ولی درک علم از این فرآیند فراگیر ممکن است، یک قطعه از یک پازل بزرگ را کم داشته باشد.

کشف جدید دانشمندان دانشگاه MIT آمریکا، یک کشف خارق‌العاده و در نوع خود بی‌نظیر است. آنها دریافته‌اند که نور می‌تواند با سرعتی به مراتب بیشتر از گرما، آب را تبخیر کند، به ویژه آبی که در هیدروژل قرار دارد. این اثر "فوتومولکولی" نام گرفته و می‌تواند باعث تحول فرآیند نمک‌زدایی خورشیدی و مدل‌سازی آب و هوا شده و به صورت بالقوه تولید آب در فرآیندهای نمک‌زدایی را سه برابر کرده و باعث پیشرفت چشمگیری در فناوری‌های خنک‌کننده خورشیدی خواهد شد.

فرآیندی که به تازگی شناسایی شده، امکان توضیح انواع پدیده‌های طبیعی را فراهم کرده و رویکردهای جدیدی را در راستای نمک‌زدایی امکان‌پذیر می‌کند.

باید این را در نظر داشت که فرآیند تبخیر همیشه در اطراف ما رخ می‌دهد؛ از عرقی که بدن ما را خنک می‌کند گرفته تا شبنمی که در نور آفتاب صبح ناپدید می‌شود. ولی درک علم از این فرآیند فراگیر ممکن است، یک قطعه از یک پازل بزرگ را کم داشته باشد.

در سال‌های اخیر برخی از محققان از اینکه آبی که در آزمایش‌هایشان آن را در ماده‌ای اسفنج مانند به نام هیدروژل نگهداری می‌کنند، با سرعتی بالاتر از استفاده از گرما یا انرژی حرارتی، تبخیر می‌شود، حیرت‌زده شده‌اند. جالب اینجاست که این اختلاف سرعت، بسیار چشمگیر و جالب توجه است (دو برابر یا حتی سه برابر و بیشتر از حداکثر نرخ نظری).

تبخیر ناشی از نور

تیمی از محققان دانشگاه MIT، بعد از انجام چندین سری آزمایش و شبیه‌سازی جدید و بررسی دوباره برخی از نتایج حاصله از گروه‌های مختلفی که مدعی بودند که از حد حرارتی فراتر رفته‌اند، به جمع‌بندی جالبی رسیدند: تحت شرایط خاص و در فصل مشترکی که آب و هوا با هم برخورد دارند، نور می‌تواند بدون نیاز به گرما، به شکل مستقیم باعث تبخیر آب شود و حتی می‌تواند این فرآیند را به شکلی کارآمدتر از حرارت و گرما انجام دهد.

در جریان این آزمایش‌ها، آب در داخل ماده هیدروژل نگهداری می‌شد ولی محققان معتقدند که این پدیده ممکن است در شرایط دیگر نیز رخ دهد.

نتایج این بررسی‌ها اخیرا در مقاله‌ای در PNAS و به نام چند استاد دانشگاه MIT منتشر شده است.

این پدیده ممکن است نقش کلیدی و ارزشمندی در شکل‌گیری و تکامل مه و ابرها ایفا کرده و در نتیجه گنجاندن آن در مدل‌های اقلیمی برای افزایش و بهبود دقت این مدل‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است و در عین حال می‌تواند نقش بسیار مهمی در فرآیندهای مختلف صنعتی مثل نمک‌زدایی آب با انرژی خورشیدی ایفا کند و شاید بتواند جایگزین‌هایی را برای مرحله تبدیل نور خورشید به گرما نیز معرفی نماید.

پیامدها و نتایج تحقیق

یافته‌های جدید، حیرت و تعجب خیلی‌ها را به همراه داشته؛ چرا که آب خودش به تنهایی نمی‌تواند میزان قابل توجهی نور را به خود جذب کند. به همین دلیل هم هست که می‌توانید در یک دریاچه یا دریایی با آبی تمیز، به وضوح تا عمق چند متری را ببینید.

هنگامی که اعضای این تیم در ابتدا شروع به کاوش درباره فرآیند تبخیر خورشیدی برای نمک‌زدایی کردند، ابتدا ذرات یک ماده سیاه و جاذب نور را در یک ظرف آب قرار دادند تا بدین ترتیب به تبدیل نور خورشید به گرما، کمک کنند.

بعد از آن، اعضای تیم با تلاش‌های گروه دیگری روبرو شدند که موفق شده بودند تا نرخ تبخیر دو برابر حد حرارتی را به دست بیاورند. (حد حرارتی، بالاترین میزان ممکن تبخیر است که برپایه ورودی داده‌ای گرما براساس اصول اولیه فیزیکی مثل حفظ انرژی صورت می‌گیرد. در جریان این آزمایشات، آب در یک هیدروژل قرار داشت. گرچه دانشمندان در ابتدا تردیدهایی داشتند، اما آنها آزمایش‌های خود را با هیدروژل‌ها ، از جمله قطعه‌ای مواد از گروهی دیگر آغاز کردند.

چن یکی از این دانشمندان در این رابطه گفت:« ما آن را تحت شبیه‌ساز خورشیدی خودمان آزمایش کردیم و کار کرد و جواب داد.» و بدین ترتیب نرخ تبخیر بالا را تائید کرد. او ادامه داد:« پس ما دیگر آن را باور کردیم.» در ادامه مسیر، چن با همراهی دانشمند دیگری به نام تو، ساخت و آزمایش هیدروژل‌های خود را آغاز کردند.

آنها در ابتدا به این شک کردند که تبخیر اضافی ممکن است ناشی از خود نور باشد (یعنی فوتون‌های نور، در واقع با دسته‌هایی از مولکول‌های آب که از سطح آب جدا شده بودند، برخورد می‌کردندو این اثر فقط در لایه مرزی بین آب و هوا در سطح ماده هیدروژل اتفاق می‌افتد) و شاید هم روی سطح دریا یا سطوح قطرات آب در ابر یا مه رخ می‌دهد.

در آزمایشگاه آنها سطح یک هیدروژل را مشاهده کردند که توسط یک ماتریس JELL-O مانند که عمدتا از آب تشکیل شده بود و یک شبکه اسفنج مانند از غشاهای نازک متصل داشت. آنها واکنش آن را به تابش نور خورشید که با طول موج‌های دقیق و کنترل شده شبیه‌سازی شده بود، اندازه‌گیری کردند.

دانشمندان به ترتیب سطح آب را در معرض رنگ‌های مختلف نور قرار داده و میزان تبخیر را اندازه‌گیری کردند. آنها این کار را با قرار دادن ظرف هیدروژل مملو از آب بر روی یک ترازو و سپس اندازه‌گیری مستقیم مقدار جرم از دست رفته آب در اثر تبخیر و در عین حال نظارت بر دمای بالای سطحی هیدروژل انجام دادند.

برای آنکه نور، گرمای اضافی به سطح وارد نکند، پوشش محافظی برای آن در نظر گرفته شده بود. دانشمندان دریافتند که این اثر با تغییر رنگ نور، تغییر می‌کند و در طول موج خاصی از نور سبز به اوج خود می‌رسد. آنها متوجه شدند که چنین وابستگی رنگی‌ای هیچ ارتباطی با گرما نداشته و این ایده را که این خود نور است که حداقل بخشی از تبخیر را ایجاد می‌کند، تائید کرد.

در ادامه محققان سعی کردند تا نرخ تبخیر مشاهده شده را با همان تنظیمات ولی این بار با بهره‌گیری از الکتریسیته برای گرم کردن مواد (بدون استفاده از نور) تکرار کنند. حتی در شرایطی که ورودی حرارتی، مشابه آزمایش قبلی بود، اما مقدار آب تبخیر شده، هرگز از حد حرارتی فراتر نرفت. این درحالی بود که با بهره‌گیری از نور خورشید شبیه‌سازی شده، این اتفاق رخ داد و مشخص شد که نور عامل تبخیر اضافی است.

طبق گفته چن، اگرچه آب به خودی خود، نور زیادی را جذب نمی‌کند و هیدروژل هم چنین کاری نمی کند، ولی وقتی این دو با هم ترکیب می‌شوند، به جذب‌کننده‌های قوی‌تری تبدیل می‌گردند. این به مواد این امکان را می‌دهد تا انرژی فوتون‌های خورشیدی را به شکل موثری مهار کرده و بدون نیاز به رنگ تیره برای جذب، از حد حرارتی فراتر روند.

کاربردهای بالقوه و همکاری‌های مداوم

با کشف این اثر که دانشمندان آن را اثر "فوتو مولکولی" نامیده‌اند، حالا آنها در حال کار برروی نحوه اعمال آن در نیازهای واقعی بشر هستند. آنها حالا دو کمک هزینه دریافت کرده‌اند؛ یکی از آزمایشگاه سیستم‌های آب و غذای عبداللطیف جمیل دانشگاه MIT تا با آن به مطالعه نحوه استفاده از این پدیده در راستای بهبود کارایی سیستم‌های نمک‌زدایی با انرژی خورشیدی بپردازند و دیگری کمک هزینه Bose برای بررسی اثر این پدیده برروی مدل‌سازی تغییرات آب و هوایی.

تو درباره فرآیند استاندارد نمک‌زدایی توضیح داد:« این فرآیند معمولا دو مرحله دارد؛ در ابتدا ما آب را به بخار تبدیل کرده و در ادامه به این نیاز داریم تا با متراکم کردن و فشرده‌سازی بخار، آن را به آب شیرین تبدیل کنیم.» طبق گفته او، با این کشف می‌توان اقدامات را به نحو دیگری پیش برد:« حالا ما می‌توانیم به شکلی بالقوه به کارایی بالاتری در زمینه تبخیر برسیم.» این پروسه همچنین می‌تواند در فرآیندهایی که نیاز به خشک کردن یک ماده دارند، کاربرد داشته باشد.

چن در عین حال یادآوری کرد که در اصل، او فکر می‌کند که ممکن است بتوان با بهره‌گیری از این رویکرد بر پایه نور، حجم آب تولید شده با نمک‌زدایی خورشیدی که در حال حاضر ۱.۵ کیلوگرم در ازای هر متر مربع است را به اندازه سه تا چهار برابر افزایش داد:« این به طور بالقوه می‌تواند منجر به نمک‌زدایی ارزان‌تری شود.»

تو نیز به این نکته اشاره کرد که از این پدیده می‌توان به شکل بالقوه در فرآیندهای خنک کننده تبخیری بهره برد و از تغییر فاز در راستای ارائه یک سیستم خنک کننده خورشیدی بسیار کارآمد استفاده کرد.

در عین حال محققان با گروه‌های دیگری که در تلاش برای تکرار این یافته‌ها هستند، به همکاری نزدیک می‌پردازند و امیدوارند تا بتوانند بر شک و شبهاتی که با یافته‌های غیرمنتظره و همچنین فرضیه‌ای که برای توضیح آنها ارائه شده غلبه کنند.