MIT araştırması: Işık, ısı olmadan suyu buharlaştırabilir
(news.mit.edu)- Suyun buharlaşması genellikle ısı girdisi ile açıklanıyordu; ancak MIT araştırmacıları, su ile havanın buluştuğu arayüzde ışığın doğrudan buharlaşmaya yol açabileceği sonucuna vardı
- Hidrojele (hydrogel) bağlı su, önceki deneylerde ısıl sınırdan 2, 3 kat ve daha fazla hızla buharlaştı; MIT ekibi bunu yeni deneyler, simülasyonlar ve önceki sonuçların yeniden incelenmesiyle doğruladı
- Farklı renkte ışıklar uygulanınca buharlaşma hızı dalga boyuna göre değişti ve yeşil dalga boyunda zirve yaptı; aynı ısı girdisi elektrikli ısıtmayla sağlandığında ise sınır aşılamadı
- Araştırmacılar bu olguya photomolecular effect adını veriyor ve güneş enerjili tuzdan arındırma, kurutma ve buharlaşmalı soğutma süreçlerinde nasıl kullanılabileceğini araştırıyor
- Sis ve bulutların oluşumu ile evrimini de etkileyebileceğinden, iklim modeli doğruluğu ve diğer araştırma gruplarının yeniden üretim doğrulaması önemli gündemler olarak kalıyor
Suyun buharlaşmasını anlamada eksik kalmış olabilecek unsur
- Buharlaşma, terin serinletmesi ya da sabah güneşiyle kaybolan çiy gibi tanıdık bir olgu olsa da, sürece dair bilimsel anlayışta boşluklar bulunmuş olabilir
- Son yıllarda bazı araştırmacılar, süngerimsi bir malzeme olan hidrojelin içindeki suyun, aldığı ısı miktarıyla açıklanabilecek hızdan çok daha hızlı buharlaştığını gözlemledi
- Fazladan buharlaşma oranı teorik maksimumun 2 katına, hatta 3 katından fazlasına ulaşabiliyordu
- Teorik maksimum, enerjinin korunumu gibi temel fizik ilkelerine göre belirli bir ısı girdisiyle mümkün olan en yüksek buharlaşma miktarını ifade eder
MIT araştırmacılarının sonucu ve makale
- MIT araştırmacıları; yeni deneyler ve simülasyonlar ile ısıl sınırın aşıldığını bildiren çeşitli grupların sonuçlarını yeniden incelemenin ardından, su ile hava arasındaki arayüzde ışığın kendisinin buharlaşmaya neden olabileceği sonucuna vardı
- Deneylerde su hidrojelin içinde bulunsa da, araştırmacılar bu olgunun başka koşullarda da gerçekleşebileceğini düşünüyor
- Araştırma sonuçları PNAS makalesi “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit.” içinde yayımlandı
Neden şaşırtıcı bir keşif?
- Suyun kendisi ışığı büyük ölçüde soğurmadığı için, temiz suyun birkaç metre altını bile nispeten net görmek mümkündür
- Araştırmacılar da başlangıçta güneş enerjili tuzdan arındırmada buharlaşma sürecini incelerken, güneş ışığını ısıya dönüştürmek için suya siyah ışık soğurucu parçacıklar eklemişti
- Daha sonra başka bir grubun hidrojele bağlı suda ısıl sınırın 2 katına ulaşan buharlaşma hızı elde ettiği çalışmadan haberdar oldular; MIT ekibi başta buna şüpheyle yaklaştı
- Chen ve Tu, ilgili grubun hidrojel parçaları da dahil olmak üzere kendi deneylerine başladı ve bir güneş simülatörü altında olağan dışı yüksek buharlaşma hızlarını doğruladı
Deney yöntemi ve temel kanıtlar
- Araştırmacılar, büyük ölçüde sudan oluşan ve ince bir zarın süngerimsi kafesine bağlı JELL-O benzeri hidrojel yüzeyini gözlemledi
- Hassas biçimde kontrol edilen dalga boylarına sahip yapay güneş ışığını hidrojel yüzeyine sırayla uygulayarak buharlaşma hızını ölçtüler
- Su tutan hidrojelin bulunduğu kabı bir terazinin üzerine koyup, buharlaşmayla azalan kütleyi doğrudan ölçtüler
- Hidrojel yüzeyinin üzerindeki sıcaklığı da eşzamanlı izlediler
- Aydınlatmanın ek ısı eklememesi için yalıtım uyguladılar
- Buharlaşma etkisi ışığın rengine göre değişti ve belirli bir yeşil dalga boyunda en yüksek seviyeye ulaştı
- Renge bağlılık yalnızca ısıyla açıklanması zor olduğundan, ışığın kendisinin buharlaşmanın bir bölümünü tetiklediği yorumunu destekliyor
- Aynı düzende, ışık olmadan malzemeyi elektrikle ısıtıp aynı ısı girdisi sağlandığında buharlaşma miktarı ısıl sınırı aşamadı
- Buna karşılık yapay güneş ışığı açıldığında ısıl sınır aşıldı ve ek buharlaşmanın nedeninin ışık olduğu doğrulandı
photomolecular effect hipotezi
- Araştırmacılar, ışığın fotonlarının su yüzeyinde su molekülü kümelerini doğrudan koparabileceğini düşünüyor
- Bu etki yalnızca hidrojel yüzeyindeki su-hava sınır katmanında gerçekleşebilir
- Okyanus yüzeyinde veya bulut ve sis içindeki su damlacıklarının yüzeyinde de aynı olgunun gerçekleşmesi mümkün olabilir
- Chen’e göre suyun kendisi de hidrojelin kendisi de ışığı fazla soğurmaz; ancak ikisi birleştiğinde güçlü bir soğurucu haline gelir
- Bu kombinasyon, koyu renkli boyalar olmadan da güneş ışığı fotonlarının enerjisinden verimli biçimde yararlanıp ısıl sınırı aşabilir
Tuzdan arındırma, kurutma ve soğutma uygulamaları
- Araştırmacılar bu etkiye photomolecular effect adını veriyor ve pratikte nasıl kullanılabileceğini araştırıyor
- MIT’nin Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab desteğiyle güneş enerjili tuzdan arındırma sistemlerinin verimliliğini artırma üzerine çalışma yürütüyorlar
- Bose Grant aracılığıyla bu olgunun iklim değişikliği modellemesi üzerindeki etkisini araştırıyorlar
- Standart tuzdan arındırma süreci genellikle iki aşamadan oluşur
- Önce su buhara dönüştürülerek buharlaştırılır
- Ardından buhar yoğunlaştırılarak tatlı su halinde sıvılaştırılır
- Tu, bu keşfin buharlaşma aşamasının verimliliğini artırabileceğini düşünüyor
- Chen, ilkesel olarak mevcut güneş enerjili tuzdan arındırmada metrekare başına 1,5 kg olan su üretim sınırının, ışık tabanlı bir yaklaşımla 3–4 katına çıkarılabileceğini düşünüyor
- Malzemelerin kurutulması gereken süreçlerde de uygulanabilir
- Tu, faz değişiminden yararlanarak yüksek verimli güneş enerjili soğutma sistemleri sunan buharlaşmalı soğutma süreçlerinde de kullanılabileceğini düşünüyor
İklim modelleri ve yeniden üretim doğrulaması
- Bu olgu, sis ve bulutların oluşumu ile evrimini etkileyebilir
- Böyle bir durumda, iklim modellerinin doğruluğunu artırmak için bu etkiyi modellere dahil etmek önemli olabilir
- Beklenmedik sonuçlar ve bunları açıklayan hipoteze yönelik şüpheciliği aşmak için araştırmacılar, sonuçları yeniden üretmeye çalışan diğer gruplarla yakın iş birliği içinde çalışıyor
2 yorum
Sadece başlığa bakınca bunun fotoelektrik etkiye benzer bir şey olduğunu düşündürüyor.
Hacker News yorumları
Araştırmacılar etkinin yeşilin belirli bir dalga boyunda zirveye ulaştığını söylemiş; bunun fotosentezi de etkileyip etkilemediğini merak ediyorum.
Bitkilerin klorofil yeşili soğurmadığı için yeşil göründüğünü hatırlıyorum; acaba yeşil ışığın fazla buharlaşma tetiklemesinden kaynaklanıyor olabilir mi diye düşünüyorum.
Yeşil, görünür ışık aralığında açık ara en parlak renktir; koyu mor ise en az parlaktır. Moru yansıtan bitkiler görünür ışığı en fazla soğurup en çok şekeri üretebilir. Çoğu bitkinin üretim modundan karanlık moda geçmek için kimyasal bir dönüşüme ihtiyacı vardır; yeşili yansıtarak azami enerji üretiminden vazgeçip iç kimyasal kararlılık kazanmış olurlar.
Bitkilerde besinleri taşımak için kan pompalayan bir kalp yok; bu yüzden besinleri köklerden yukarı taşımak için buharlaşmaya dayanmak zorundalar.
Ağaçların havaya bir tür sis saldığına dair bir araştırmayı da hatırlıyorum; yeşil yaprakların o sürece de yardımcı olabileceği aklıma geliyor.
Bunun termodinamik açıdan ne anlama geldiğini pek anlayamıyorum.
Sıvı suyu su buharına dönüştürmek için gereken kütle başına enerji sabit değil mi? O enerjinin ışıktan ya da başka bir şeyden gelmesi neden bunu değiştirsin, anlamıyorum.
Normalde buharlaşma, tekil su moleküllerinin moleküller arası bağları koparacak kadar yeterli ısı enerjisi kazanıp sıvı kütlesinden ayrılarak havaya karışmasıyla gerçekleşir.
Bu durumda ise su moleküllerinin birkaç molekülden oluşan kümeler hâlinde uzaklaştırıldığına dair güçlü kanıt bulmuşlar. Bu tür kümelerde moleküller arası bağlar henüz kopmadığı için, tek tek molekül olarak buharlaşmaya kıyasla havaya karışmak için daha az ısı enerjisi gerekir. Daha sonra bu kümeler havada parçalanırken havadan ısı enerjisi soğurur ve numune yüzeyinden birkaç mm uzaktaki hava sıcaklığını biraz düşürür.
Buharlaşmanın molekül kümeleri biçiminde gerçekleşmesi garip bir durum ve sıradan buharlaşma biçiminden çok farklı. Bu kümeler tekil moleküllere ayrılmadan önce tam anlamıyla su buharı sayılmaları zor olduğundan, buna buharlaşma demenin bile doğru olup olmadığından emin değilim.
Yani kütle başına enerjiyle beklenenden çok daha hızlı buharlaşıyor.
Fotonlar zaten gaz tarafına geçmek üzere olan moleküllere çarpıyor ve sırf bu kadarıyla onları sis gibi bir şeye dönüştürüyor gibi. Su ısınıp sonra dışarı fırlamıyor; nemlendirici gibi gaz tarafına itilmiş hissi veriyor.
Makale ışık ile “ısı”yı ayırıyor; bu deney bağlamında bu daha çok enerjiyi nasıl aktardığınla ilgili bir fark. Suyun tamamını ısıtarak mı aktarıyorsun, yoksa ışık tutup tekil su molekülleriyle etkileşmesini mi sağlıyorsun, fark bu.
Pratikte buharlaşma verimliliğini artırma potansiyeli var. Suyun tamamını ısıtırsan kayıplar büyüktür ve verilen enerjinin önemli bir kısmı suya gitmez. Suyla güçlü etkileşip buharlaşma yaratan belirli bir dalga boyu bulunabilirse, süreçte kaybolan giriş enerjisi ciddi ölçüde azaltılabilir.
Uzman olmayan biri olarak sorarsam, bunun suyun elektromanyetik soğurma spektrumu ile ilgisi olabilir mi?
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Absorpti...
Makalede sözü edilen “yeşil” dalga boyu tam olarak soğurmanın en düşük olduğu nokta gibi görünüyor. Öyleyse ısının elektromanyetik direncin sonucu olduğu mu kastediliyor? Mikrodalgalar yüzünden su moleküllerinin titreşmesi gibi.
Benzer şekilde kimyasal güneş kremleri çeşitli bağların belirli dalga boylarını soğurup titreşmesiyle UV’yi ısıya dönüştürür.
İlgili makale “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit” (2023) https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2312751120.
Yeşil dalga boyu olan 520 nm’de buharlaşma oranı zirveye ulaşıyor; ışık altında buhar sıcaklığı düşüyor ve su molekülü kümelerinin yüzeyden kopup ayrıldığı bir fotomoleküler etki hipotezi öne sürülüyor. Bunun doğa, iklim ve bitki büyümesinin yanı sıra temiz su ve enerji teknolojileri üzerinde de etkileri olabileceği düşünülüyor.
Düşük maliyetli entegre fotoniğin tuzdan arındırma veya sterilizasyon gibi alanlarda işe yarayıp yaramayacağını merak ediyorum. Bununla ilgili olarak farklı üretim maliyetlerine sahip çeşitli entegre fotonik yöntemleri de var: https://news.ycombinator.com/context?id=38056088
Gerçekten harika, ama bunun şimdiye kadar neden tesadüfen keşfedilmediğini anlamakta zorlanıyorum.
Kabaca bir hesap bile oldukça açık olurdu gibi geliyor; yoksa kullanılan hidrojelin özelliğiyle mi daha ilgili?
Elektron yükü ölçümlerinin nasıl giderek iyileştiğini anlatırken, Millikan’ın değerinden fazla yüksek çıkan sayıların bir şeylerin yanlış olduğu varsayılarak incelendiğini ve nedeninin bulunduğunu; Millikan’ın değerine yakın olanlara ise daha az şüpheyle bakıldığını söylemişti. Bu yüzden çok sapan sayıların elenmesi gibi şeyler yaşanmıştı; bugünse bu tür hileleri öğrendiğimiz için o hastalıktan daha az muzdaribiz, diyordu.
https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
Kimyada, malzeme biliminde ve yoğun madde fiziğinde bu tür şeyler hep olur. Birleştirilebilecek yöntemlerin sayısı sonsuzdur ve bunların yalnızca bir kısmı ilginçtir. Böyle bir olguyu ayrıştırmak çok fazla el işi gerektirir.
Makalede görmedim ama bir yerlerde mutlaka ele alınmış olması gereken iki şeyi merak ediyorum.
Suyla çevrili bir su molekülü ile hidrojel içindeki su arasındaki bağ kuvveti nasıl farklılaşıyor; ayrıca saf su yüzeyinin havaya maruz kalmasıyla su-hidrojel yüzeyinin havaya maruz kalması durumunda kısmi basınç farkı ne olur?
Çok ilginç devam araştırmalarına ihtiyaç var gibi görünüyor.
Burada bir yanlış anlama var gibi. Bu çalışma, su hidrojelin sınır katmanındayken normalde soğurmayacağı ışığı soğurduğunu ve bu yüzden yalnızca ısıtıldığında olduğundan daha hızlı buharlaştığını gösteren bilinmeyen bir mekanizma bulmuş.
Eğer bu bir hata ya da sürdürülemez bir yan reaksiyon değilse, tuzdan arındırma gibi buharlaşma gerektiren işleri daha ucuza getirebilir.
Ancak birçok kişi bunu enerjinin korunumu yasasını ihlal ettiği anlamında algılıyor gibi görünüyor.
Birinin bu etkiden yararlanarak ısı pompası yapmanın yolunu bulması ne kadar sürer merak ediyorum.
Kompresör gerektirmeyeceği için böyle bir “fotomoleküler ısı pompası”nı küçültmek daha kolay olabilir gibi. Başka çözücülerin veya soğutucu akışkanların sudan daha verimli bir çalışma akışkanı olup olmayacağını da merak ediyorum; gerçekten ilginç.
Muhtemelen fotomoleküler etkiyle ısı pompasının evaporatöründe soğutucu akışkanı kaynatmayı kastediyorsunuz, ama kaynama, akışkanın sıcaklığı yeterince yükselip tüm moleküller arası bağların kopmaya başlamasıyla gerçekleşen hacimsel bir süreçtir. Buharlaşma ise yüzeyde bazı moleküllerin rastgele moleküller arası bağlardan kurtulup çevredeki havayla karışmasıdır. Adına rağmen, ısı pompasının evaporatöründe gerçekleşen şey buharlaşma değil kaynamadır.
Fotomoleküler etki kaynama yaratmaz, yalnızca buharlaşma yaratır. Evaporatörde gerçek buharlaşma olmasını da istemezsiniz. Hava gerekir; bu da soğutucu akışkanla birlikte çok miktarda havayı sıkıştırmanız anlamına gelir ve büyük enerji israfına yol açar.
Aklıma ilk gelen uygulama soğutma kuleleriydi. Soğutma kuleleri, suyun buharlaşmasıyla çeşitli proses akışkanlarını soğutur. Ancak soğutma kulelerinde buharlaşmanın suyun ısısını emerek su sıcaklığını düşürmesini istersiniz. Bu etki ışığı ve havanın ısısını kullandığı için, sudan gerçekten emilen ısı miktarını azaltır.
Mühendislik uygulaması varsa, muhtemelen nihai hedefin suyun bizzat buharlaşması olduğu kurutma süreçleri veya pasif tuzdan arındırma gibi yerlerde olacaktır.
Gang Chen, yakın zamanda Çin’le araştırma işbirlikleri nedeniyle ABD hükümeti tarafından haksız yere karalanmış ve hakkında dava açılmış biriydi.
Yeniden toparlandığını görmek güzel.
İlgili devam eden başlık: Photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit - https://news.ycombinator.com/item?id=38112574