I ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno identificato per la prima volta meccanismi chimici chiave che si aggiungono alla conoscenza fondamentale della chimica della combustione e potrebbero portare a una combustione più pulita nei motori.

Il ricercatore di Sandia Nils Hansen e l'ex postdottorato Kai Moshammer si sono concentrati sull'ossidazione a bassa temperatura di idrocarburi e altri combustibili alternativi. Hanno identificato i principali intermedi chimici, che sono rilevanti per le reazioni di ossidazione a temperature nell'intervallo da 400 a 600 K (da 260 a 620 gradi Fahrenheit). La natura chimica degli intermedi e le loro concentrazioni fornisce nuovi dettagli sui processi chimici coinvolti nell'autoaccensione.

L'autoaccensione è un processo chimico in cui una miscela aria-carburante si accende spontaneamente. È comunemente spiegato dalla teoria attraverso una serie di reazioni di ramificazione della catena autosufficienti e acceleranti. È molto importante per capire il battito nei motori ad accensione comandata.

Hansen e Moshammer facevano parte di un team di ricercatori multi-istituzione il cui lavoro è stato pubblicato in un documento intitolato, "Svelare la struttura e i meccanismi chimici degli intermedi altamente ossigenati nell'ossidazione dei composti organici". I ricercatori si sono concentrati sull'approfondimento delle conoscenze sulla chimica dell'ossidazione a bassa temperatura degli idrocarburi e di altri combustibili alternativi.

"Oggi possiamo far funzionare un motore a combustione interna senza conoscere i dettagli della chimica, "Ha detto Hansen. "Tuttavia, questa nuova conoscenza fornisce nuovi spunti che dovrebbero essere presi di mira da nuovi modelli di combustione. Alla fine dovrebbe consentire lo sviluppo di strategie di combustione più pulite ed efficienti in futuro".

Hansen e Moshammer hanno utilizzato la spettrometria di massa a fascio molecolare per scoprire gli intermedi chimici. Il raggio molecolare congela la chimica e può essere paragonato all'autostrada tedesca.

"Nel raggio molecolare, tutte le molecole vengono risucchiate nel vuoto per volare nella stessa direzione e alla stessa velocità, quindi non ci sono collisioni proprio come in autostrada, " ha detto. "Quando isoliamo le molecole in questo modo, ci permette di separarli in base al loro peso e quindi alla loro composizione molecolare".

Estrarre informazioni dettagliate dalla natura

Estrarre informazioni molecolari dettagliate direttamente dalle miscele di accensione è un compito difficile e impegnativo, soprattutto a causa dei grandi sbalzi di temperatura e delle basse concentrazioni molecolari degli intermedi chiave.

"Anche dopo alcuni decenni di ricerca su questo argomento, queste molecole altamente ossigenate non erano mai state viste prima, " spiega Hansen.

Yiguang Ju, professore e direttore di Energia Sostenibile presso la Princeton University, detto questo lavoro rivela chiaramente la formazione di intermedi ossigenati attraverso i processi di addizione di più molecole di ossigeno. "Gli intermedi ossigenati sono fondamentali per influenzare l'accensione a bassa temperatura, fiamma fredda, lieve formazione di fiamma e battito in testa nei motori a combustione interna, " ha detto Ju.

Reattore a getto d'aria progettato per condurre ricerche

Hansen ha sottolineato che queste scoperte sono state fatte da esperimenti che si concentrano sulla chimica riducendo al minimo gli effetti della miscelazione, turbolenza e grandi gradienti di temperatura e concentrazione.

Per condurre i lavori, i ricercatori di Sandia hanno progettato un dispositivo chiamato reattore a getto d'aria, che è meglio descritto come un reattore al quarzo in cui le miscele combustibili-ossidanti incombuste vengono aggiunte continuamente attraverso quattro piccoli ugelli per creare una miscela omogenea che viene poi accesa con calore esterno. Con questo approccio, i ricercatori evitano grandi cambiamenti spaziali e temporali nelle concentrazioni dei principali intermedi e temperature e il reattore può essere facilmente modellato. I ricercatori hanno quindi utilizzato il campionamento a fascio molecolare e la spettrometria di massa ad alta risoluzione per identificare i componenti del gas dal reattore.

"Il nostro persistente interesse per i processi di ossidazione a bassa temperatura ha portato a questa ricerca, "Ha detto Hansen. "Mentre i primi studi si sono concentrati su piccoli combustibili come il dimetiletere (DME, CH3OCH3), alla fine ci siamo trasferiti in una più grande, combustibili più pratici, come l'eptano, e 'accidentalmente' ha rilevato un segnale che non era spiegabile attraverso i meccanismi chimici conosciuti. Volevamo fornire obiettivi di convalida per gli sviluppi del modello sotto forma di identificazione e concentrazione molecolare".

La ricerca precedente ha identificato reazioni e intermedi che hanno aiutato a prevedere le caratteristiche di accensione dei singoli combustibili. Il lavoro di Sandia ha dimostrato che la comprensione di questi processi da parte della comunità scientifica non è completa e che devono essere considerate ulteriori reazioni e intermedi. Questo lavoro aiuterà a sviluppare modelli con migliori capacità predittive, e ha implicazioni oltre la combustione.

"Questa è una ricerca fondamentale sulla cinetica chimica che può anche avere un impatto sulla formazione di aerosol troposferico rilevante per il clima, "Ha detto Hansen.

Paul Wenmberg, il professore R. Stanton Avery di chimica atmosferica e scienze e ingegneria ambientale al Caltech, ha detto che questa ricerca fornisce anche una ricchezza di nuovi dati e approfondimenti sui processi di ossidazione coinvolti nell'ossidazione delle molecole organiche nell'atmosfera. Per esempio, la conoscenza di quanti ossigeni si aggiungono in seguito alla formazione del primo radicale, come le strutture dei substrati organici alterano i percorsi, e se questa chimica può competere con i processi bimolecolari è essenziale per prevedere se questa chimica è importante alle temperature molto più fredde rilevanti per l'atmosfera.

"L'impatto finale di queste scoperte sull'autossidazione sulla nostra comprensione dell'inquinamento atmosferico non è chiaro, " Wennberg ha detto. "Sappiamo che respirare il particolato è una minaccia per la salute pubblica, ma al momento non si sa quanto siano tossici i particolati creati tramite autossidazione e per quanto tempo questi composti persistono nell'atmosfera".

L'uso della spettrometria di massa per rilevare questi intermedi è solo il primo passo di questa ricerca.

"Nel futuro, dovremo sviluppare nuove tecniche e capacità sperimentali che permettano un'assegnazione univoca della struttura molecolare, "Ha detto Hansen. "Proveremo tecniche di spettrometria di massa bidimensionale e spettroscopia a microonde come strumenti analitici per trovare le strutture chimiche esatte".