Según un estudio del MIT la luz puede vaporizar el agua sin necesidad de calor, se podría mejorar la eficiencia en los procesos de desalinización

Actualizado: 05/07/2024

Un sorprendente «efecto fotomolecular» descubierto por investigadores del MIT podría afectar los cálculos sobre el cambio climático y llevar a mejoras en los procesos de desalinización y secado.

Cómo la luz puede vaporizar agua sin necesidad de calor

La evaporación del agua es un proceso fundamental que ocurre en las superficies de los océanos y lagos, en la disipación de la niebla con el sol matutino y en el secado de estanques salinos que dejan detrás sal sólida. A pesar de ser un fenómeno común y ampliamente observado por la humanidad, recientes investigaciones revelan que hemos estado pasando por alto una parte crucial de este proceso.

En una serie de experimentos meticulosamente precisos, un equipo de investigadores del MIT ha demostrado que el calor no es el único responsable de la evaporación del agua. La luz, al incidir sobre la superficie del agua donde se encuentra con el aire, puede separar las moléculas de agua y elevarlas al aire, provocando su evaporación sin ninguna fuente de calor.

Este asombroso descubrimiento podría tener implicaciones significativas. Podría ayudar a explicar mediciones misteriosas sobre cómo la luz solar afecta las nubes y, por ende, influir en los cálculos de los efectos del cambio climático en la cobertura nubosa y la precipitación. Además, podría abrir nuevas formas de diseñar procesos industriales como la desalinización impulsada por energía solar o el secado de materiales.

Los hallazgos y las numerosas evidencias que demuestran la realidad del fenómeno y los detalles de su funcionamiento, se describen hoy en la revista PNAS, en un artículo del profesor Carl Richard Soderberg de Ingeniería de Potencia, Gang Chen, los investigadores postdoctorales Guangxin Lv y Yaodong Tu, y el estudiante de posgrado James Zhang.

Los autores sugieren que este efecto podría ocurrir de manera generalizada en la naturaleza, desde las nubes hasta las nieblas y superficies de océanos, suelos y plantas, y que también podría llevar a nuevas aplicaciones prácticas, incluyendo en la producción de energía y agua limpia.

Creo que esto tiene muchas aplicaciones. Estamos explorando todas estas diferentes direcciones. Y, por supuesto, también afecta la ciencia básica, como los efectos de las nubes en el clima, porque las nubes son el aspecto más incierto de los modelos climáticos.

Gang Chen

Un fenómeno recién descubierto

Este nuevo trabajo se basa en investigaciones reportadas el año pasado, que describieron este nuevo «efecto fotomolecular» pero solo bajo condiciones muy especializadas: en la superficie de hidrogeles especialmente preparados empapados de agua. En el nuevo estudio, los investigadores demuestran que el hidrogel no es necesario para el proceso; ocurre en cualquier superficie de agua expuesta a la luz, ya sea una superficie plana como un cuerpo de agua o una superficie curva como una gota de vapor de nube.

Debido a que el efecto fue tan inesperado, el equipo trabajó para probar su existencia con tantas líneas de evidencia diferentes como fuera posible. En este estudio, informan de 14 tipos diferentes de pruebas y mediciones que llevaron a cabo para establecer que el agua estaba evaporándose, es decir, las moléculas de agua se desprendían de la superficie del agua y eran llevadas al aire, debido únicamente a la luz, no por calor, que se asumía era el único mecanismo involucrado.

Un indicador clave, que apareció consistentemente en cuatro tipos diferentes de experimentos bajo diferentes condiciones, fue que a medida que el agua comenzaba a evaporarse de un recipiente de prueba bajo luz visible, la temperatura del aire medida sobre la superficie del agua se enfriaba y luego se estabilizaba, mostrando que la energía térmica no era la fuerza impulsora detrás del efecto.

Otros indicadores clave incluyeron la forma en que el efecto de evaporación variaba dependiendo del ángulo de la luz, el color exacto de la luz y su polarización. Ninguna de estas características cambiantes debería ocurrir porque a estas longitudes de onda, el agua apenas absorbe luz —y sin embargo, los investigadores las observaron.

El efecto es más fuerte cuando la luz incide sobre la superficie del agua a un ángulo de 45 grados. También es más fuerte con un cierto tipo de polarización, llamada polarización magnética transversal. Y alcanza su punto máximo en luz verde —que, curiosamente, es el color en el que el agua es más transparente y, por lo tanto, interactúa menos.

Chen y sus co-investigadores han propuesto un mecanismo físico que puede explicar la dependencia del ángulo y la polarización del efecto, mostrando que los fotones de luz pueden impartir una fuerza neta sobre las moléculas de agua en la superficie del agua que es suficiente para desalojarlas del cuerpo de agua. Sin embargo, aún no pueden dar cuenta de la dependencia del color, lo cual dicen requerirá más estudio.

Han denominado esto el efecto fotomolecular, por analogía con el efecto fotoeléctrico que fue descubierto por Heinrich Hertz en 1887 y finalmente explicado por Albert Einstein en 1905. Ese efecto fue una de las primeras demostraciones de que la luz también tiene características de partícula, lo que tuvo importantes implicaciones en la física y llevó a una amplia variedad de aplicaciones, incluidos los LED. Así como el efecto fotoeléctrico libera electrones de los átomos en un material en respuesta a ser golpeado por un fotón de luz, el efecto fotomolecular muestra que los fotones pueden liberar moléculas enteras de una superficie líquida, dicen los investigadores.

Resolviendo un enigma climático

El hallazgo podría resolver un misterio de 80 años en la ciencia climática. Las mediciones de cómo las nubes absorben la luz solar han mostrado a menudo que están absorbiendo más luz solar de lo que dicta la física convencional. La evaporación adicional causada por este efecto podría explicar la discrepancia de larga data, que ha sido objeto de disputa desde que dichas mediciones son difíciles de realizar.

Esos experimentos se basan en datos de satélites y datos de vuelo. Vuelan un avión por encima y por debajo de las nubes, y también hay datos basados en la temperatura del océano y el equilibrio de la radiación. Y todos concluyen que hay más absorción por parte de las nubes de lo que la teoría podría calcular. Sin embargo, debido a la complejidad de las nubes y las dificultades de realizar tales mediciones, los investigadores han estado debatiendo si tales discrepancias son reales o no. Y lo que descubrimos sugiere que hay otro mecanismo para la absorción de nubes, que no se había tenido en cuenta, y este mecanismo podría explicar las discrepancias.

Gang Chen

Chen dice que recientemente habló sobre el fenómeno en una conferencia de la Sociedad Americana de Física, y un físico allí que estudia nubes y clima dijo que nunca había pensado en esta posibilidad, que podría afectar los cálculos de los efectos complejos de las nubes en el clima. El equipo realizó experimentos utilizando LED que iluminaban una cámara de nubes artificiales, y observaron el calentamiento de la niebla, que no se suponía que ocurriera ya que el agua no absorbe en el espectro visible. «Este calentamiento puede explicarse más fácilmente en base al efecto fotomolecular«, dice.

Lv dice que de las muchas líneas de evidencia, «la región plana en la distribución de temperatura del lado del aire sobre agua caliente será la más fácil de reproducir para las personas«. Ese perfil de temperatura «es una firma» que demuestra el efecto claramente, afirma.

Zhang agrega: «Es bastante difícil explicar cómo surge este tipo de perfil de temperatura plana sin invocar algún otro mecanismo» más allá de las teorías aceptadas de la evaporación térmica. «Esto une lo que muchas personas están reportando en sus dispositivos de desalinización solar«, que nuevamente muestran tasas de evaporación que no pueden explicarse por el aporte térmico.

El efecto puede ser sustancial. Bajo las condiciones óptimas de color, ángulo y polarización, Lv dice, «la tasa de evaporación es cuatro veces el límite térmico».

Ya desde la publicación del primer artículo, el equipo ha sido abordado por empresas que esperan aprovechar el efecto, dice Chen, incluidas para la evaporación de jarabe y el secado de papel en una papelera. Las primeras aplicaciones probables vendrán en las áreas de sistemas de desalinización solar u otros procesos de secado industrial, señala. «El secado consume el 20 % de todo el uso de energía industrial«, señala.

Dado que el efecto es tan nuevo e inesperado, Chen dice, «Este fenómeno debería ser muy general, y nuestro experimento es realmente solo el comienzo«. Los experimentos necesarios para demostrar y cuantificar el efecto son muy laboriosos. «Hay muchas variables, desde entender el agua misma, hasta extenderlo a otros materiales, otros líquidos e incluso sólidos«, dice.

«Las observaciones en el manuscrito apuntan a un nuevo mecanismo físico que altera fundamentalmente nuestro pensamiento sobre la cinética de la evaporación«, dice Shannon Yee, profesor asociado de ingeniería mecánica en Georgia Tech, que no estaba asociado con este trabajo. Añade: «¿Quién hubiera pensado que todavía estamos aprendiendo sobre algo tan cotidiano como la evaporación del agua?«

«Creo que este trabajo es muy significativo científicamente porque presenta un nuevo mecanismo«, dice la profesora distinguida de la Universidad de Alberta, Janet A.W. Elliott, quien tampoco estaba asociada con este trabajo. «También podría resultar ser prácticamente importante para la tecnología y nuestra comprensión de la naturaleza, porque la evaporación del agua es ubicua y el efecto parece ofrecer tasas de evaporación significativamente más altas que el mecanismo térmico conocido. … Mi impresión general es que este trabajo es sobresaliente. Parece estar cuidadosamente hecho con muchos experimentos precisos que se apoyan mutuamente.«

Vía mit.edu