I ricercatori della Stanford University hanno sviluppato un nuovo metodo per misurare il radicale idrossile (OH), una molecola critica nelle reazioni di combustione, con una sensibilità da record. Questo metodo utilizza la modulazione di frequenza della luce ultravioletta per eliminare il rumore che impediva ai metodi convenzionali di rilevare con precisione tracce di OH negli ambienti di combustione e apre la strada a nuovi regimi di ricerca sulla combustione che in precedenza non erano accessibili. Qui, Shengkai Wang sta allineando il raggio laser UV attraverso il reattore di combustione. Credito:Optical Society of America
Un metodo di analisi di nuova concezione è in grado di rilevare i radicali idrossilici (OH) con una sensibilità senza precedenti. Poiché l'OH è un componente critico nei processi di combustione che alimentano la maggior parte dei veicoli, il nuovo approccio potrebbe far progredire lo sviluppo di nuovi tipi di motori e combustibili più efficienti e rispettosi dell'ambiente.
"Negli Stati Uniti., la combustione produce il 60 percento della nostra elettricità e alimenta il 90 percento del trasporto terrestre e quasi tutta l'aviazione, " ha detto il ricercatore capo, Shengkai Wang, ricercatore post-dottorato in ingegneria meccanica presso la Stanford University. "La capacità di esaminare i processi di combustione e comprenderli a un livello più fondamentale aiuterebbe nello sviluppo di strategie di combustione di prossima generazione in grado di aumentare l'efficienza e ridurre l'inquinamento, " Egli ha detto.
Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , Wang e Ronald K. Hanson, professore di ingegneria meccanica a Stanford, riportano un approccio basato sulla spettroscopia che ha rilevato livelli di radicali OH almeno quattro volte inferiori rispetto al precedente metodo migliore utilizzato per analizzare OH. Tra centinaia di entità molecolari coinvolte nelle reazioni di combustione, OH è il più importante perché determina se e quanto velocemente il carburante brucerà.
"OH è estremamente difficile da misurare, soprattutto negli ambienti dinamici e rumorosi di combustione del carburante, perché è altamente reattivo e presente in concentrazioni molto basse, " ha detto Wang. "Il nostro approccio apre la strada al rilevamento pratico di OH nell'intervallo delle parti per miliardo".
Il nuovo approccio potrebbe essere utile anche per applicazioni come lo studio della chimica atmosferica, dove l'OH è un attore chiave nella formazione e nell'esaurimento dell'ozono, ha detto Wang.
Avanzamento della tecnologia del carburante e del motore
Un collo di bottiglia per la commercializzazione di nuovi tipi di motori o combustibili ottimizzati è che la loro chimica di combustione non è completamente compresa a causa della mancanza di metodi di analisi sensibili. Risolvere questo problema, Wang e il suo collega hanno sviluppato una tecnica nota come spettroscopia a modulazione di frequenza utilizzando la luce ultravioletta (UV).
La spettroscopia funziona facendo brillare un raggio laser attraverso il gas di prova, dove le molecole assorbiranno parzialmente la luce. L'analisi della luce che esce dal campione di gas può determinare esattamente quali molecole, e le loro quantità, eravamo presenti. Però, la misurazione spettroscopica di OH non è un compito banale. Le quantità estremamente basse di OH presenti nelle reazioni di combustione, combinato con alte temperature di reazione e varie fonti di rumore come vibrazioni meccaniche e turbolenza del gas, rendono molto difficile il rilevamento pratico di OH.
Invece di utilizzare una lunghezza d'onda del laser, la spettroscopia a modulazione di frequenza esamina le differenze nell'assorbimento della luce tra più lunghezze d'onda, permettendo di sottrarre qualsiasi rumore comune tra le letture. Il metodo sposta anche il segnale proveniente dall'assorbimento di OH ad una frequenza più alta, eliminando così qualsiasi deriva a bassa frequenza che sfida la misurazione dell'OH.
"L'idea generale della spettroscopia a modulazione di frequenza esiste da un po', ma siamo i primi a dimostrare la sua applicabilità alla rilevazione di OH in questo particolare intervallo di lunghezze d'onda, " ha detto Wang. "Una ragione per cui questo non è stato fatto prima è che la sorgente laser UV di alta qualità necessaria per misurare l'assorbimento di OH è diventata disponibile molto di recente".
I ricercatori hanno testato il loro nuovo approccio studiando la reazione di combustione di un combustibile rappresentativo, isoottano, in un reattore controllato. Sono stati in grado di raggiungere un'assorbanza minima rilevabile di 3.0 X 10 -4 a una temperatura di 1330 K. Ciò equivale a rilevare 85 parti per miliardo di OH su una lunghezza ottica di 15 cm ed è quattro volte migliore del miglior record precedentemente riportato.
Come passo successivo, i ricercatori prevedono di incorporare componenti ottici migliori, che dicono potrebbe migliorare la sensibilità di un altro ordine di grandezza. Vogliono anche rendere l'attrezzatura più portatile in modo che possa essere trasportata su un carrello in varie strutture di prova specializzate. Un sistema portatile consentirebbe loro anche di utilizzare l'approccio per effettuare misurazioni in condizioni pratiche del motore e di adattare eventualmente il metodo per effettuare misurazioni in motori e combustori realistici.
