Una nuova tecnica a raggi X per misurare le temperature nelle fiamme di combustione potrebbe portare a biocarburanti più puliti.

Comprendere la dinamica della combustione dei biocarburanti, carburanti prodotti da piante, alghe o rifiuti animali, è essenziale per costruire motori puliti ed efficienti alimentati da biocarburanti. Un driver importante di queste dinamiche è la temperatura.

Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), della Yale University e della Penn State University hanno perfezionato e utilizzato una tecnica a raggi X per misurare le temperature in una fiamma estremamente calda e carica di fuliggine prodotta dalla combustione. Tali misurazioni sono state storicamente impegnative. La nuova tecnica può potenzialmente aiutare a ridurre le emissioni dei motori alimentati da biocarburanti. Lo studio è stato pubblicato su Science Advances .

Necessità di ottimizzare i biocarburanti

La riduzione delle emissioni di gas serra e di altri inquinanti dovuti alla combustione di combustibili fossili richiederà importanti cambiamenti nei sistemi energetici. L'Energy Information Administration degli Stati Uniti riferisce che ci sono oltre un miliardo di veicoli alimentati a combustibili fossili in tutto il mondo, prevedendo che la flotta di veicoli convenzionali raggiungerà il picco nel 2038.

Nel frattempo, i biocarburanti avanzati e più puliti possono potenzialmente aiutare a ridurre gli inquinanti. Ciò è particolarmente vero per aeroplani, navi e altri veicoli pesanti che rimangono difficili da elettrificare con le tecnologie attuali.

Ma lo sviluppo di nuovi sistemi di combustione per biocarburanti avanzati non è un compito facile. Una barriera fondamentale è stata la misurazione accurata delle temperature nelle fiamme prodotte dalla combustione di biocarburanti. Le temperature sono input critici nei modelli che i ricercatori utilizzano per simulare le fiamme di combustione e le loro emissioni.

"La temperatura ha una grande influenza sui tassi di reazione chimica nelle fiamme", ha detto Alan Kastengren, un fisico Argonne che è stato uno degli autori dello studio. "Se i modelli non hanno temperature precise, probabilmente non stanno prevedendo correttamente la chimica. Modelli di combustione migliori consentono ai ricercatori di progettare sistemi di combustione migliori, che si tratti di motori a combustione interna o sistemi di generazione di elettricità."

Misurare temperature con raggi X e atomi di krypton

Misurare le temperature della fiamma è sorprendentemente difficile. I ricercatori hanno precedentemente utilizzato laser e altri dispositivi per valutare le fiamme. Tuttavia, le particelle di fuliggine presenti nelle fiamme possono interferire con la loro capacità di misurare la temperatura.

I raggi X non sono in gran parte influenzati dalle particelle di fuliggine, quindi un'altra possibilità è utilizzare i raggi X per l'analisi della fiamma. I ricercatori di Argonne, Yale e Penn State hanno utilizzato e perfezionato una tecnica nota come fluorescenza a raggi X. La tecnica prevedeva diversi passaggi. In primo luogo, hanno introdotto una piccola quantità di gas krypton in una fiamma composta da aria e metano (un componente primario del gas naturale). Questa è una fiamma standard utilizzata dai laboratori di tutto il mondo nella ricerca sulla combustione. Il krypton è un elemento con una reattività estremamente bassa, quindi non altera la chimica della fiamma.

Successivamente, presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, una struttura utente del DOE Office of Science, i ricercatori hanno bombardato la fiamma con fasci di raggi X ad alta energia. In risposta, gli atomi di krypton emettevano raggi X con una quantità unica di energia in un processo chiamato fluorescenza. Il team ha quindi utilizzato uno spettrometro a raggi X per rilevare l'energia della fluorescenza dei raggi X emessa. Ciò ha consentito ai ricercatori di mappare la presenza di atomi di krypton e di quantificare la loro densità in tutta la fiamma. Quindi, il team ha calcolato le temperature in diverse parti della fiamma, utilizzando un'equazione nota come legge del gas ideale che mette in relazione temperatura e densità.

Una chiave del successo dell'esperimento è stata l'utilizzo dei fasci di raggi X ultraluminosi dell'APS. I fasci di raggi X generati da strutture come l'APS hanno un'intensità molto maggiore e fasci molto più focalizzati rispetto a quelli creati nei laboratori.

"Una sorgente di raggi X su scala di laboratorio è un po' come una lampadina. I raggi di raggi X escono in tutte le direzioni", ha detto Kastengren. "Con i sincrotroni, i raggi X vanno tutti nella stessa direzione. Ciò rende molto più facile per noi utilizzare il raggio in modo efficace per misurare le interazioni con la fiamma".

Molti modi per applicare la tecnica

Mentre i ricercatori hanno perfezionato la tecnica a raggi X utilizzando una fiamma di metano, i metodi possono essere applicati per misurare le temperature in altre fiamme, comprese quelle prodotte dalla combustione di biocarburanti. Ciò può aiutare a migliorare l'accuratezza dei modelli utilizzati per simulare le fiamme nei sistemi di combustione di biocarburanti. Modelli più robusti possono potenzialmente consentire la scoperta di nuovi modi di far funzionare i motori degli aeroplani, le turbine a gas e altri sistemi di generazione di energia in modo che siano più efficienti e abbiano emissioni inferiori.

"Immagina di passare da un carburante standard a un carburante sostenibile per l'aviazione", ha affermato Robert Tranter, un chimico senior di Argonne e autore dello studio. "È necessario comprendere l'impatto di tale interruttore sulle proprietà di combustione del motore per garantire che funzioni correttamente. I test fisici di nuovi carburanti in un motore reale sono molto costosi. Modelli di combustione accurati possono selezionare i carburanti per aiutare a determinare quando fai quei test."

Più in generale, i metodi a raggi X possono far avanzare la comprensione degli aspetti fondamentali della combustione, supportando un'ampia gamma di aree di ricerca. Ad esempio, possono informare gli sforzi per sviluppare sistemi che bruciano idrogeno per produrre energia. Possono aiutare con la ricerca sull'uso delle fiamme per creare nanoparticelle di silicio, che hanno potenziali applicazioni in medicina, batterie e altri campi.

La tecnica può essere applicata anche oltre la ricerca sulla combustione. Può potenzialmente supportare qualsiasi esperimento di laboratorio che richieda misurazioni accurate della temperatura in ambienti ostili.

"Incontriamo sempre sistemi diversi in cui i ricercatori necessitano di misurazioni accurate della temperatura", ha affermato Tranter. "Siamo aperti alla collaborazione con loro."

Oltre a Kastengren e Tranter, gli autori sono Matthew J. Montgomery, Yale; Hyunguk Kwon, Stato di Penn; Lisa D. Pfefferle, Yale; Travis Sikes, Argonne; Yuan Xuan, Penn State e Charles S. McEnally, Yale. + Esplora ulteriormente

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