Une nouvelle étude explique pourquoi le rayonnement solaire est plus efficace que d’autres formes d’énergie pour provoquer l’évaporation de l’eau. Le facteur clé s’avère être le champ électrique oscillant inhérent à la lumière solaire elle-même.
« Il est bien connu que le soleil est exceptionnellement efficace pour faire s’évaporer l’eau – plus efficace que de chauffer l’eau sur la cuisinière, par exemple », déclare Saqlain Raza, premier auteur d’un article sur ces travaux et doctorant à l’université d’État de Caroline du Nord. « Cependant, on ne sait pas exactement pourquoi. Nos travaux mettent en évidence le rôle que jouent les champs électriques dans ce processus ».
« Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un effort plus large de la communauté des chercheurs pour comprendre ce phénomène, qui a des applications telles que la conception de technologies d’évaporation de l’eau plus efficaces », ajoute Jun Liu, co-auteur correspondant de l’article et professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l’université de Caroline du Nord.
Pour étudier les questions liées à l’efficacité de la lumière solaire pour l’évaporation de l’eau, les chercheurs se sont tournés vers les simulations informatiques. Cela leur a permis de modifier différents paramètres associés à la lumière du soleil pour voir comment ces caractéristiques influencent l’évaporation.
« La lumière est une onde électromagnétique, qui consiste en partie en un champ électrique oscillant », explique M. Liu. « Nous avons constaté que si nous supprimons le champ électrique oscillant de l’équation, l’évaporation de l’eau par la lumière du soleil prend plus de temps. Mais lorsque le champ est présent, l’eau s’évapore très rapidement. Et plus le champ électrique est intense, plus l’eau s’évapore rapidement. La présence de ce champ électrique est ce qui distingue la lumière de la chaleur lorsqu’il s’agit de l’évaporation de l’eau ».
Mais que fait exactement le champ électrique oscillant ?
« Pendant l’évaporation, deux choses se produisent », précise M. Raza. « L’évaporation libère soit des molécules d’eau individuelles, qui s’éloignent de la masse de l’eau liquide, soit des groupes d’eau. Les grappes d’eau sont des groupes finis de molécules d’eau qui sont reliées les unes aux autres mais qui peuvent être séparées du reste de l’eau liquide, même si elles sont toujours interconnectées. En général, ces deux phénomènes se produisent à des degrés divers. »
« Nous avons découvert que le champ électrique oscillant est particulièrement efficace pour séparer les groupes de molécules d’eau », ajoute M. Liu. « C’est plus efficace, car il ne faut pas plus d’énergie pour casser un groupe d’eau (avec beaucoup de molécules) que pour casser une seule molécule.
Les chercheurs l’ont démontré en simulant le fonctionnement de l’évaporation dans un modèle d’eau pure et dans un modèle où l’eau sature un hydrogel.
« Dans l’eau pure, il n’y a pas beaucoup d’amas d’eau près de la surface, là où l’évaporation peut avoir lieu », explique M. Raza. « Mais dans le second modèle, il y a beaucoup d’amas d’eau, parce qu’ils se forment là où l’eau entre en contact avec l’hydrogel. Comme il y a plus d’amas d’eau près de la surface dans le second modèle, l’évaporation se produit plus rapidement. En fait, il y a plus d’amas d’eau que le champ oscillant peut séparer de l’eau liquide. »
« Ce travail fait progresser considérablement notre compréhension de ce qui se passe dans ce phénomène, car nous sommes les premiers à montrer le rôle des amas d’eau par le biais d’une simulation informatique », conclut M. Liu.
L’article, “Oscillations in Incident Electric Field Enhances Interfacial Water Evaporation,” est publié dans la revue Materials Horizons. L’article a été cosigné par Cong Yang, titulaire d’un doctorat de NC State. Xin Qian, de l’université des sciences et technologies de Huazhong, est l’auteur correspondant de l’article.
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