I ricercatori hanno sviluppato uno strumento analitico che utilizza un laser ultraveloce per misurazioni precise di temperatura e concentrazione di idrogeno. Il loro nuovo approccio potrebbe aiutare a far progredire lo studio di combustibili a base di idrogeno più ecologici da utilizzare in veicoli spaziali e aeroplani.

"Questo strumento fornirà potenti capacità per sondare processi dinamici come diffusione, miscelazione, trasferimento di energia e reazioni chimiche", ha affermato il leader del team di ricerca Alexis Bohlin della Luleå University of Technology in Svezia. "La comprensione di questi processi è fondamentale per lo sviluppo di motori di propulsione più rispettosi dell'ambiente."

In Optics Express , Bohlin e colleghi della Delft University of Technology e della Vrije Universiteit Amsterdam, entrambi nei Paesi Bassi, descrivono il loro nuovo strumento di spettroscopia Raman coerente per lo studio dell'idrogeno. Ciò è stato possibile grazie a una configurazione che converte la luce a banda larga da un laser con impulsi brevi (femtosecondi) in impulsi supercontinuum estremamente brevi, che contengono un'ampia gamma di lunghezze d'onda.

I ricercatori hanno dimostrato che questa generazione di supercontinuum potrebbe essere eseguita dietro lo stesso tipo di finestra ottica spessa che si trova sulle camere ad alta pressione utilizzate per studiare un motore a idrogeno. Questo è importante perché altri metodi per generare l'eccitazione a banda ultralarga non funzionano quando sono presenti questi tipi di finestre ottiche.

"Il combustibile ricco di idrogeno, se prodotto da risorse rinnovabili, potrebbe avere un enorme impatto sulla riduzione delle emissioni e dare un contributo significativo per alleviare il cambiamento climatico antropogenico", ha affermato Bohlin. "Il nostro nuovo metodo potrebbe essere utilizzato per studiare questi combustibili in condizioni molto simili a quelle dei motori aerospaziali e missilistici."

Fare entrare la luce

C'è molto interesse nello sviluppo di motori aerospaziali che funzionano con combustibili rinnovabili ricchi di idrogeno. Oltre al loro fascino per la sostenibilità, questi combustibili hanno uno degli impulsi specifici più alti ottenibili, una misura dell'efficienza con cui la reazione chimica in un motore crea la spinta. Tuttavia, è stato molto difficile rendere affidabili i sistemi di propulsione chimica basati sull'idrogeno. Ciò è dovuto al fatto che la maggiore reattività dei combustibili ricchi di idrogeno modifica sostanzialmente le proprietà di combustione della miscela di combustibile, aumentando la temperatura della fiamma e riducendo i tempi di ritardo dell'accensione. Inoltre, la combustione nei motori a razzo è generalmente molto difficile da controllare a causa delle pressioni estremamente elevate e delle temperature elevate che si incontrano quando si viaggia nello spazio.

"Il progresso della tecnologia per il lancio sostenibile e i sistemi di propulsione aerospaziale si basa su un'interazione coerente tra esperimenti e modellazione", ha affermato Bohlin. "Tuttavia, esistono ancora diverse sfide in termini di produzione di dati quantitativi affidabili per la convalida dei modelli."

Uno degli ostacoli è che gli esperimenti vengono solitamente eseguiti in uno spazio chiuso con trasmissione limitata di segnali ottici dentro e fuori attraverso finestre ottiche. Questa finestra può far allungare gli impulsi del supercontinuum necessari per la spettroscopia Raman coerente mentre attraversano il vetro. Per superare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un modo per trasmettere un laser pulsato a femtosecondi attraverso una spessa finestra ottica e quindi hanno utilizzato un processo chiamato filamento indotto dal laser per trasformarlo in impulsi di supercontinuum che rimangono coerenti sull'altro lato.

Studiare una fiamma a idrogeno

Per dimostrare il nuovo strumento, i ricercatori hanno creato un raggio laser a femtosecondi con le proprietà ideali per la generazione del supercontinuum. Lo hanno quindi utilizzato per eseguire la spettroscopia Raman coerente eccitando le molecole di idrogeno e misurando le loro transizioni rotazionali. Sono stati in grado di dimostrare misurazioni affidabili dell'idrogeno gassoso in un'ampia gamma di temperature e concentrazioni e hanno anche analizzato una fiamma di diffusione di idrogeno/aria simile a quella che si sarebbe vista bruciando un combustibile ricco di idrogeno.

I ricercatori stanno ora usando il loro strumento per eseguire un'analisi dettagliata in una turbolenta fiamma di idrogeno nella speranza di fare nuove scoperte sul processo di combustione. Con l'obiettivo di adottare il metodo per la ricerca e il test dei motori a razzo, gli scienziati stanno esplorando i limiti della tecnica e vorrebbero testarla con fiamme di idrogeno in un alloggiamento chiuso leggermente pressurizzato. + Esplora ulteriormente

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