Studie zum photomolekularen Effekt: Sichtbares Licht lässt Wasser nicht verdunsten

Ein Wesensmerkmal der Wissenschaft besteht darin, dass ihre Erkenntnisse und Ideen einer empirischen Prüfung und Diskussion offenstehen.

Plattentektonik und gefiederte Dinosaurier gelten mittlerweile als fest etabliert. Der nächste Streitpunkt könnte sich jedoch an der womöglich revolutionären Behauptung entzünden, dass Licht Wasser verdunsten lassen kann – allerdings nicht durch Erwärmung.

Die Entdeckung einer neuen Form der Verdunstung nach all dieser Zeit wäre bemerkenswert. Dennoch haben Forschende mehrere Beleglinien für diesen „photomolekularen Effekt“ vorgelegt, dem auf den ersten Blick weitreichende Anwendungen für Klimaprognosen und die Wasserentsalzung zugeschrieben werden.

Eine neue Arbeit in der Fachzeitschrift PNAS legt allerdings nahe, dass diese Resultate eher auf die in den betreffenden Untersuchungen eingesetzten Methoden als auf eine grundlegende physikalische Eigenschaft von Licht und Wasser zurückgehen könnten.

Photomolekularer Effekt im direkten Verdunstungstest

Molekülphysikerinnen und Molekülphysiker des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz, Deutschland, stellten einige Bedingungen früherer Studien nach. Sie erfassten die Ergebnisse sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene direkt, um zu untersuchen, wie sich Grenzflächenwasser – also der Übergang zwischen Wasseroberfläche und Luft – unter Lichteinstrahlung tatsächlich verhält.

Zunächst setzten die Forschenden eine Probe aus reinem Wasser sichtbarem blauem, grünem und rotem Licht aus. Mit einem konfokalen Wegsensor verfolgten sie die Höhe der Wasseroberfläche bei „Licht an“ und „Licht aus“ unter zwei verschiedenen Luftfeuchtigkeitsbedingungen.

Aus dem Ausmaß, um das die Wasseroberfläche absank, ließ sich die Verdunstungsrate unmittelbar bestimmen. Frühere Experimente könnten dagegen auf weniger direkten Messgrößen beruht haben.

Sowohl diese Lichtwellenlängen als auch der Einfallswinkel der Diodenlaser auf die Wasserprobe entsprachen den Bedingungen vergleichbarer photomolekularer Experimente.

Überraschenderweise stellten sie keine Veränderung fest.

„In ihrer Gesamtheit zeigen diese Messungen, dass sichtbare Beleuchtung mit Intensitäten, die mit dem solaren Strahlungsfluss vergleichbar sind, die Verdunstung an einer ebenen Luft-Wasser-Grenzfläche nicht messbar verstärkt“, erklären die Forschenden.

Wasserstoffbrücken an der Luft-Wasser-Grenzfläche

Anschließend betrachtete das Team den Vorgang auf mikroskopischer Ebene: Was geschieht mit Wassermolekülen an der Luft-Wasser-Grenzfläche, und stimmt dies mit den makroskopischen Beobachtungen zur Verdunstung überein?

Dafür verwendeten sie dieselben Beleuchtungsbedingungen wie zuvor und untersuchten die Auswirkungen mit einer schwingungsspektroskopischen, oberflächenspezifischen Sonde.

Diese Methode reagiert auf die Schwingungen von Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen in Wassermolekülen in einer Tiefe von nur wenigen Ångström – einigen zehn Milliardstel Metern beziehungsweise etwa hundert Millionstel Zoll. Damit erfasst sie die obersten zwei oder drei Wasserschichten.

Da das Verfahren empfindlich auf Orientierung, Bindungsstärke und die lokale Feldumgebung der Sauerstoff-Wasserstoff-Gruppen reagiert, untersucht es den Kern des photomolekularen Effekts.

Interessanterweise zeigten die Spektren, also die Lichtsignaturen, auch in diesem Experiment keine messbaren Änderungen. Das deutet darauf hin, dass sichtbares Licht die Wasserstoffbrücken der Moleküle an der Oberfläche unverändert ließ – im Einklang mit der gleichbleibenden Verdunstungsrate.

Besonders wichtig sei, so die Forschenden, dass sich bei 532 Nanometern keine Veränderungen zeigten. Diese Wellenlänge des grünen Lichts hatte in früheren Studien die stärkste Reaktion hervorgerufen.

„Im hier untersuchten, experimentell zugänglichen Bereich fanden sich keine Hinweise auf eine nichtthermische, durch sichtbares Licht ausgelöste Veränderung von Grenzflächenwasser oder der Verdunstungsdynamik“, ergänzen sie.

Extreme Lichtintensitäten verändern den photomolekularen Effekt ebenfalls nicht

Doch was geschieht, wenn die Leistung deutlich erhöht wird? Das dadurch verstärkte elektrische Feld könnte den gesuchten photomolekularen Effekt womöglich dennoch auslösen, da angenommen wird, dass dieser feldabhängig ist.

Deshalb führten die Forschenden ein Experiment nach dem Motto „Jetzt wird nicht mehr herumgespielt“ durch und steigerten die Spitzenintensitäten für kurze Zeiträume um mehr als zehn Größenordnungen.

Sie bestrahlten die Wasseroberfläche mit sichtbaren und nahinfraroten Lichtpulsen von einer bis wenigen Billionstelsekunden Dauer, also ungefähr 1 bis 3 Pikosekunden. Schließlich wollten sie die Spitzenleistung maximieren und keine Spaghetti kochen.

Doch selbst diese extremen Photonenflüsse konnten die Wasserstoffbrücken an der Luft-Wasser-Grenzfläche nicht messbar stören.

Um diese Ergebnisse im Verhältnis zu früheren Studien einzuordnen, lohnt ein Blick auf die verwendeten Medien.

Frühere Forschungsarbeiten könnten Hydrogele, poröse Matrizen, Wassertröpfchen oder andere Konfigurationen eingesetzt haben, die möglicherweise mechanisch empfindlich sind.

Die mit diesen Experimenten verbundenen Signale könnten daher durch Lichtabsorption und -streuung, Wärmetransport innerhalb der Materialien, die Dampfkonzentration nahe der Oberfläche oder den physikalischen Druck der Photonen beeinflusst worden sein – man denke an Sonnensegel.

Auch indirekte Messgrößen, die in früheren Untersuchungen verfolgt wurden, können von diesen Prozessen betroffen sein. Dazu zählen Änderungen der Masse, über dem Wasser aufgezeichnete Lichtspektren oder die Form von Tröpfchen.

Die Arbeit unterstreicht damit unter anderem die Stabilität der Wasserstoffbrücken an der Luft-Wasser-Grenzfläche und liefert eine Vergleichsbasis für Tests weiterer chemischer oder umweltbezogener Szenarien.

Abschließend erklären die Forschenden, dass sichtbares Licht über die hier untersuchten Wellenlängen, Intensitäten, Luftfeuchtigkeiten und Zeiträume hinweg weder die Verdunstung noch die molekulare Kinetik so verändert, wie es für den photomolekularen Effekt zu erwarten wäre.

„Diese Ergebnisse klären nicht nur eine konkrete Kontroverse, sondern schaffen auch einen belastbaren Referenzwert für Licht-Wasser-Wechselwirkungen an Grenzflächen und liefern klare physikalische Grenzen für die Entwicklung und Auslegung lichtgetriebener Verdunstungs- und Wassergewinnungstechnologien“, folgern die Forschenden.

„Sie zeigen, dass erhebliche, durch sichtbares Licht verursachte Steigerungen der Verdunstung in komplexen, absorbierenden Materialien auf photothermische oder geometrische Effekte zurückgehen müssen und nicht auf einen neuen, für flüssiges Wasser intrinsischen photophysikalischen Mechanismus.“

Die Studie wurde in PNAS veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Kate Mallord auf Fakten geprüft und von Peter Dockrill redigiert. Wir sind zwar stolz auf unseren Prozess, aber auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, lassen Sie es uns bitte wissen.