کشف غافلگیرکننده یک ویژگی ناشناخته نور - مهسان بلاگ

غزال زیاری: کشف تازه دانشمندان دانشگاه MIT آمریکا، یک کشف خارق العاده و در نوع خود بی نظیر است. آنها دریافته اند که نور می تواند با سرعتی به مراتب بیشتر از گرما، آب را تبخیر کند، به ویژه آبی که در هیدروژل قرار گرفته است. این اثر فوتومولکولی نام گرفته و می تواند باعث تحول فرآیند نمک زدایی خورشیدی و مدل سازی آب و هوا شده و به صورت بالقوه فراوری آب در فرآیندهای نمک زدایی را سه برابر نموده و باعث پیشرفت چشمگیری در فناوری های خنک نماینده خورشیدی خواهد شد.

فرآیندی که به تازگی شناسایی شده، امکان شرح انواع پدیده های طبیعی را فراهم نموده و روینمودهای تازهی را در راستای نمک زدایی امکان پذیر می نماید.

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

در سال های اخیر بعضی از محققان از اینکه آبی که در آزمایش هایشان آن را در ماده ای اسفنج مانند به نام هیدروژل نگهداری می نمایند، با سرعتی بالاتر از استفاده از گرما یا انرژی حرارتی، تبخیر می گردد، حیرت زده شده اند. جالب اینجاست کهاین 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 شبیه سازی تازه و آنالیز دوباره بعضی از نتایج حاصله از گروه های مختلفی که مدعی بودند که از حد حرارتی فراتر رفته اند، به جمع بندی جالبی رسیدند: تحت شرایط خاص و در فصل مشترکی که آب و هوا با هم برخورد دارند، نور می تواند بدون احتیاج به گرما، به شکل مستقیم باعث تبخیر آب گردد و حتی می تواند این فرآیند را به شکلی کارآمدتر از حرارت و گرما انجام دهد.

در جریان این آزمایش ها، آب در داخل ماده هیدروژل نگهداری می شد ولی محققان معتقدند که این پدیده ممکن است در شرایط دیگر نیز رخ دهد.

نتایج این آنالیز ها اخیرا در مقاله ای در PNAS و به نام چند استاد دانشگاه MIT منتشر شده است.

این پدیده ممکن است نقش کلیدی و ارزشمندی در شکل گیری و تکامل مه و ابرها ایفا نموده و در نتیجه گنجاندن آن در مدل های اقلیمی برای افزایش و بهبود دقت این مدل ها از اهمیت بالایی برخوردار است و در عین حال می تواند نقش بسیار مهمی در فرآیندهای مختلف صنعتی مثل نمک زدایی آب با انرژی خورشیدی ایفا نماید و شاید بتواند جایگزین هایی را برای مرحله تبدیل نور خورشید به گرما نیز معرفی نماید.

پیامدها و نتایج تحقیق

یافته های تازه، حیرت و تعجب خیلی ها را به همراه داشته؛ چرا که آب خودش به تنهایی نمی تواند میزان قابل توجهی نور را به خود جذب کند. به همین علت هم هست که می توانید 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 نمک زدایی 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، یاری نمایند.

بعد از آن، اعضای تیم با کوشش های گروه دیگری روبرو شدند که پیروز شده بودند تا نرخ تبخیر دو برابر حد حرارتی را به دست بیاورند. (حد حرارتی، بالاترین میزان ممکن تبخیر است که برپایه ورودی داده ای گرما براساس اصول اولیه فیزیکی مثل حفظ انرژی صورت می گیرد. در جریان این آزمایشات، آب در یک هیدروژل قرار داشت. گرچه دانشمندان در ابتدا تردیدهایی داشتند، اما آنها آزمایش های خود را با هیدروژل ها ، از جمله قطعه ای مواد از گروهی دیگر شروع کردند.

• ماجرای شگفت انگیز ناپدید شدن صدها ستاره در آسمان!
• چین رقیب پیشرفته ترین موشک آمریکا را به میدان آورد/ عکس

چن یکی از این دانشمندان در این رابطه گفت: ما آن را تحت شبیه ساز 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 هیدروژل های خود را شروع کردند.

آنها در ابتدا به این شک کردند که تبخیر اضافی ممکن است ناشی از خود نور باشد (یعنی فوتون های نور، در واقع با دسته هایی از مولکول های آب که از سطح آب جدا شده بودند، برخورد می کردندو این اثر فقط در لایه مرزی بین آب و هوا در سطح ماده هیدروژل اتفاق می افتد) و شاید هم روی سطح دریا یا سطوح قطرات آب در ابر یا مه رخ می دهد.

در آزمایشگاه آنها سطح یک هیدروژل را مشاهده کردند که به وسیله 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 موج های دقیق و کنترل شده شبیه سازی شده بود، میزان گیری کردند.

دانشمندان به ترتیب سطح آب را در معرض رنگ های مختلف نور قرار داده و میزان تبخیر را میزان گیری کردند. آنها این کار را با قرار دادن ظرف هیدروژل مملو از آب بر روی یک ترازو و سپس میزان گیری مستقیم میزان 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 می نماید و در طول موج خاصی از نور سبز به اوج خود می رسد. آنها متوجه شدند که چنین وابستگی رنگی ای هیچ ارتباطی با گرما نداشته و این ایده را که این خود نور است که حداقل بخشی از تبخیر را ایجاد می نماید، تائید کرد.

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

طبق گفته چن، اگرچه آب به خودی خود، نور زیادی را جذب نمی نماید و هیدروژل هم چنین کاری نمی نماید، ولی وقتی این دو با هم ترکیب می شوند، به جذب نماینده های قوی تری تبدیل می گردند. این به مواد این امکان را می دهد تا انرژی فوتون های خورشیدی را به شکل موثری مهار نموده و بدون احتیاج به رنگ تیره برای جذب، از حد حرارتی فراتر روند.

کاربردهای بالقوه و همکاری های مداوم

با کشف این اثر که دانشمندان آن را اثر فوتو مولکولی نامیده اند، حالا آنها در حال کار برروی نحوه اعمال آن در احتیاجهای واقعی بشر هستند. آنها حالا دو یاری هزینه دریافت نموده اند؛ یکی از آزمایشگاه سیستم های آب و غذای عبداللطیف جمیل دانشگاه MIT تا با آن به مطالعه نحوه استفاده از این پدیده در راستای بهبود کارایی سیستم های نمک زدایی با انرژی خورشیدی بپردازند و دیگری یاری هزینه Bose برای آنالیز اثر این پدیده برروی مدل سازی تغییرات آب و هوایی.

تو درباره فرآیند استاندارد نمک زدایی شرح داد: این فرآیند معمولا دو مرحله دارد؛ در ابتدا ما آب را به بخار تبدیل نموده و در ادامه به این احتیاج داریم تا با متراکم کردن و فشرده سازی بخار، آن را به آب شیرین تبدیل کنیم. طبق گفته او، با این کشف می توان اقدامات را به نحو دیگری پیش برد: حالا ما می توانیم به شکلی بالقوه به کارایی بالاتری در زمینه تبخیر برسیم. این فرایند بعلاوه می تواند در فرآیندهایی که احتیاج به خشک کردن یک ماده دارند، کاربرد داشته باشد.

چن در عین حال یادآوری کرد که در اصل، او فکر می نماید که ممکن است بتوان با بهره گیری از این رویکرد بر پایه نور، حجم آب فراوری شده با نمک زدایی خورشیدی که در حال حاضر 1.5 کیلوگرم در ازای هر متر مربع است را به میزان سه تا چهار برابر افزایش داد: این به طور بالقوه می تواند منجر به نمک زدایی مقرون به صرفه تری گردد.

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

در عین حال محققان با گروه های دیگری که در کوشش برای تکرار این یافته ها هستند، به همکاری نزدیک می پردازند و امیدوارند تا بتوانند بر شک و شبهاتی که با یافته های غیرمنتظره و بعلاوه فرضیه ای که برای شرح آنها ارائه شده غلبه نمایند.

منبع: scitechdaily

227227