L'accensione laser (LI) è una promettente alternativa senza elettrodi all'accensione elettronica a scintilla di miscele magre di carburante/aria, offrendo alta efficienza termica con basse emissioni nocive. Uno dei metodi LI più ampiamente adottati è l'accensione a scintilla indotta da laser a nanosecondi (ns-LISI), in cui miscele combustibili subiscono ionizzazione multifotone seguita da rottura a valanga, con conseguente plasma ad alta temperatura e alta pressione insieme a onde d'urto. Però, le inevitabili fluttuazioni di energia da colpo a colpo derivanti da ns sorgenti luminose portano alla natura stocastica della rottura, influenzare le vie di reazione e produrre potenziali mancate accensioni.

Sebbene LI non sia un concetto nuovo, si ritiene comunemente che l'accensione di miscele di combustibile magro da parte di un laser a femtosecondi ultracorti (fs) sia difficile da realizzare poiché la rottura della valanga non può verificarsi sulla scala temporale fs, e la temperatura del plasma indotta dal laser fs è di 1-2 ordini di grandezza inferiore a quella pompata dai laser ns, entrambi i quali riducono l'accendibilità del combustibile magro. Infatti, i ricercatori non sono riusciti finora ad accendere miscele magre utilizzando intensi laser a impulsi fs.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Huailiang Xu dello State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, Facoltà di Scienze e Ingegneria Elettronica, Università di Jilin, Cina, e il professor Ruxin Li dello State Key Laboratory of High Field Laser Physics, Istituto di Ottica e Meccanica Fine di Shanghai, Accademia cinese delle scienze, hanno dimostrato la riuscita realizzazione e la robustezza di fs-LI irradiando una miscela povera di metano/aria con un intenso impulso laser fs nel regime di filamento. È stato rivelato che l'energia del laser della pompa per la combustione magra può diminuire fino a 1,5 mJ con una deposizione di energia del ∼25%, implicando che ci vuole solo energia sub-mJ per raggiungere fs-LI. Hanno testato l'accensione del laser con un'energia laser di 1,8 mJ più di 1000 volte e di conseguenza hanno raggiunto un tasso di successo del 100%, mostrando la robustezza di questo approccio per l'accensione di miscele magre. Il presente approccio ha un'applicabilità generale alle complesse condizioni di combustione in una varietà di motori che non sono in rapporti stechiometrici.

È dimostrato che lo schema fs-LI ha due vantaggi principali rispetto allo schema ns-LISI:(i) energia di accensione ultrabassa, che è circa un ordine di grandezza più piccolo di quello nello schema ns-LISI, e (ii) tasso di successo dell'accensione del 100%. Il meccanismo fs-LI è attribuito all'effetto termico dalla deposizione di energia laser nel filamento seguita da reazioni chimiche di combustione e la robustezza all'effetto di accensione della linea, che è descritto in dettaglio come di seguito:

"L'equilibrio dinamico tra la messa a fuoco automatica e la defocalizzazione del plasma nel filamento laser consente la generazione di diversi canali del plasma della gamma Rayleigh o più lunghi con l'intensità del laser bloccata a ∼50-100 TW/cm ² livello. Le molecole di carburante possono essere attivate e persino frammentate da filamenti laser ad alta intensità, producendo molti intermedi di combustione. In particolare, il filamento lungo offre la possibilità di accensione 'multipunto' lungo il filamento, denominata accensione 'linea', che può aiutare a migliorare l'affidabilità di accensione delle miscele magre."

"Inoltre, all'interno del filamento laser fs, sebbene la temperatura iniziale delle molecole di gas determinata attraverso vari percorsi di deposizione di energia, come la ionizzazione multifotone/tunnel, dissociazione, eccitazione Raman, e l'eccitazione di collisione è solo di circa 1400 K, la reazione di ossidazione a bassa temperatura delle molecole di metano può ancora verificarsi, che consente l'inizio di reazioni chimiche combustibili, " hanno aggiunto.

"L'approccio attuale, in cui l'accensione laser ultracorta di miscele di combustibile magro funziona in un filamento di plasma a temperatura relativamente bassa e lungo centimetri, non solo ha un'applicabilità generale a condizioni di combustione complesse in una varietà di motori che non sono in rapporti stechiometrici, ma offre la possibilità di studiare processi fisici/chimici ultraveloci sulla scala temporale fs/ps dopo l'interazione laser-carburante, " concludono gli scienziati.