I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo basato su laser che fornisce una visione senza precedenti di spray come quelli utilizzati per la combustione del carburante liquido nei veicoli, motori di navi e aerei. La tecnica potrebbe fornire nuove informazioni su questi spray atomizzatori, che vengono utilizzati anche in una varietà di processi industriali come la verniciatura e la produzione di polveri alimentari e farmaci.

"Abbiamo sviluppato un nuovo metodo di imaging per comprendere meglio la transizione da liquido a gas che avviene prima della combustione del carburante, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Edouard Berrocal della Divisione di fisica della combustione, Dipartimento di Fisica dell'Università di Lund in Svezia. "Queste informazioni potrebbero essere utilizzate per sviluppare strategie di iniezione del carburante più intelligenti, migliore miscelazione aria-carburante, combustione più efficiente e, in definitiva, ridurre le emissioni inquinanti dei dispositivi di combustione tipicamente utilizzati per i trasporti."

In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, Berrocal e colleghi della Divisione di fisica atomica del Dipartimento di fisica descrivono un nuovo approccio che combina i raggi X e la fluorescenza indotta dal laser per osservare e quantificare fenomeni di nebulizzazione spray che in precedenza non erano accessibili. Le immagini in fluorescenza forniscono dettagli sulla forma del liquido spruzzato, comprese le sue dimensioni e forma, mentre le radiografie quantificano la distribuzione del liquido.

"Generalmente, le immagini degli spray atomizzatori sono sfocate e non contengono informazioni sull'interno dello spray, " disse Diego Guenot, primo autore del saggio. "Il nostro nuovo approccio di imaging risolve questi problemi e può anche rilevare quantità di liquido più piccole di quelle mai rilevate prima con i raggi X".

Vedere in uno spray

Gli spray sono molto difficili da visualizzare con la luce normale perché le loro migliaia di piccole goccioline diffondono la luce in tutte le direzioni. raggi X, però, sono anche assorbiti, che consente di misurare la quantità di liquido presente rilevando la quantità di radiazione di raggi X trasmessa attraverso lo spray.

Questo tipo di analisi richiede solitamente raggi X generati da grandi sincrotroni, che sono disponibili solo in poche strutture specializzate in tutto il mondo. Però, i ricercatori hanno superato questa barriera utilizzando un nuovo acceleratore laser-plasma da tavolo sviluppato dal team di Olle Lundh nella Divisione di fisica atomica. È stato progettato per produrre raggi X su misura per l'imaging a raggi X ad alta risoluzione e risolta nel tempo.

"Anche se sono molto più piccoli di un sincrotrone, i nuovi acceleratori laser producono raggi X nella giusta gamma di energia per essere assorbiti dai liquidi e possono erogarli in impulsi di femtosecondi che essenzialmente congelano il movimento dello spruzzo per l'imaging, " disse Lundh. "Inoltre, il flusso di raggi X è abbastanza alto da produrre un buon segnale su una vasta area."

Nell'acceleratore laser-plasma, i raggi X vengono generati focalizzando un intenso impulso laser a femtosecondi in un gas o in un plasma preformato. I ricercatori hanno anche utilizzato questi impulsi laser a femtosecondi per eseguire l'imaging a fluorescenza a due fotoni. Questo approccio a fluorescenza viene spesso utilizzato nella microscopia delle scienze biologiche per fornire immagini ad alto contrasto di aree submillimetriche, ma raramente è stato utilizzato per spruzzare immagini, che di solito richiedono un'area di imaging di pochi centimetri quadrati.

"L'imaging a due fotoni di un'area relativamente ampia richiede maggiore energia, impulsi laser ultracorti, " ha detto Berrocal. "Il fatto che abbiamo utilizzato un intenso raggio laser a femtosecondi per generare raggi X significava che potevamo eseguire simultaneamente l'imaging a raggi X ea fluorescenza a due fotoni. L'esecuzione di queste due modalità di imaging contemporaneamente con un'area visualizzata relativamente ampia non è mai stata eseguita prima".

Ottenere una visione chiara

I ricercatori hanno prima testato la tecnica generando raggi X e posizionando uno spray davanti alla telecamera a raggi X. Con la prima immagine, fu subito evidente che lo spray poteva essere visualizzato chiaramente. I ricercatori hanno quindi modificato la configurazione per aggiungere l'imaging a fluorescenza a due fotoni. L'utilizzo della tecnica combinata per l'immagine dei getti d'acqua creati da un iniettore di carburante per autoveicoli ha prodotto una maggiore sensibilità di misurazione rispetto a quella ottenuta con le grandi sorgenti di raggi X di sincrotrone.

"Questo approccio di imaging renderà lo studio degli spray molto più semplice sia per i ricercatori accademici che per i ricercatori del settore perché saranno in grado di eseguire studi, non solo alla manciata di strutture di sincrotrone, ma anche in vari laboratori di accelerazione laser plasma nel mondo." ha spiegato Guénot.

I ricercatori hanno in programma di espandere la tecnica per ottenere immagini 3D di spray e studiare come si evolvono nel tempo. Vogliono anche applicarlo a spray più impegnativi e realistici come gli spray a iniezione diretta di biodiesel o etanolo, nonché per i sistemi di spruzzatura utilizzati per le turbine a gas.