Wetenschappers hebben wiskundige uitdrukkingen ontworpen die de gasbeweging door poriën van nanogrootte nauwkeuriger kunnen schatten. Dit zou de ontwikkeling van brandstofcellen kunnen helpen verbeteren.

Veel technische apparaten zijn afhankelijk van de stroom van gassen door een poreus medium. Bij katalysatoren, bijvoorbeeld, schadelijke uitlaatgassen van auto's passeren een poreus medium van keramische kralen die zijn gecoat met een katalysator die ze omzet in onschadelijke verbindingen. Ook, in brandstofcellen in ontwikkeling voor milieuvriendelijke voertuigen, waterstof en zuurstof passeren een poreuze katalysator die ze omzet in water, elektriciteit produceren.

Ingenieurs hebben een duidelijk begrip nodig van hoe gassen door poreuze media bewegen om deze apparaten te verbeteren. Echter, het is moeilijk om het transport van moleculen door poriën van nanogrootte te meten.

Onderzoekers van de Tohoku University in Japan, gespecialiseerd in de dynamica van ijle gassen, samen met collega's van Honda R&D Co., Ltd., gebruikte computersimulaties om twee wiskundige uitdrukkingen te ontwikkelen die de gasstroomsnelheid door een poreus medium schatten.

De uitdrukkingen zien eruit als vergelijkingen, maar laten in feite een fysieke relatie zien tussen stroomsnelheid door een poreus medium en drukgradiënt, die kunnen helpen bij het begrijpen van moleculair transport door poreuze media. Dit zou de ontwikkeling van milieuvriendelijkere brandstofcellen voor auto's en zelfs toekomstige spaceshuttles kunnen bevorderen.

Het team gebruikte de 'directe simulatie Monte Carlo (DSMC)-methode, ' die de stroom van lagedrukgas modelleert met behulp van simulatiemoleculen. In hun studie hebben poreuze media werden weergegeven door willekeurig gerangschikte vaste bolvormige deeltjes. Het team onderzocht wat er gebeurde als een constante stroom waterstofmoleculen door een constante drukgradiënt door het medium werd gedreven. Simulaties werden uitgevoerd voor verschillende porositeiten en verschillende groottes van vaste deeltjes.

Het team ontdekte dat de gasstroomsnelheid door een poreus medium toeneemt in verhouding tot de toenemende drukgradiënt. Dit toont aan dat de wet van Darcy, die stelt dat de vloeistofstroom door een poreus medium evenredig is met de drukgradiënt, is zelfs van toepassing met poriën van nanogrootte. Echter, ze vonden conventionele modellen, zoals de Kozeny-Carman vergelijking, die vaak wordt gebruikt om de stroomsnelheid door een poreus medium te schatten, produceerde schattingen die verschilden van de resultaten van de DSMC-simulaties toen microporiën werden overgeschakeld naar poriën met nanogrootte.

Als de poriën relatief groot zijn, het drukverschil induceert gasstroom. De stroom stabiliseert wanneer de viskeuze kracht die wordt uitgeoefend op het gas bij de poriënwanden de kracht compenseert als gevolg van het drukverschil. Dit wordt 'viskeuze flux' genoemd. Anderzijds, wanneer poriën nanogrootte hebben, gasmoleculen kunnen het drukverschil niet direct voelen omdat molecuul-tot-molecuul-botsingen veel minder vaak voorkomen in vergelijking met molecuul-tot-wand-botsingen. In dit geval, gasmoleculen verspreiden zich in willekeurige richtingen na botsingen tussen moleculen en muren. Deze chaotische moleculaire bewegingen veroorzaken een netto moleculaire flux in de richting van minder concentratie. Dit wordt 'Knudsen-flux' genoemd. De reden waarom de conventionele modellen onnauwkeurige schattingen produceerden in het geval van poriën met nanogrootte, is omdat in die modellen alleen rekening wordt gehouden met de viskeuze flux.

Het team ontwikkelde twee wiskundige uitdrukkingen die de gasstroomsnelheid door een poreus medium beschrijven. Ze beschouwden een poreus medium als een bundel kronkelige capillaire buisjes, waarvan de diameter gelijk is aan de gemiddelde afstand die een molecuul aflegt tussen opeenvolgende botsingen tussen molecuul en muur. Hun uitdrukkingen voor een poreus medium werden geconstrueerd door de bijdragen van zowel viskeuze als Knudsen-fluxen door de kronkelige capillaire buizen te superponeren.

Het team ontdekte dat het invoeren van informatie zoals deeltjesdiameter en porositeit in deze uitdrukkingen resulteerde in schattingen van de stroomsnelheid die goed overeenkwamen met de DSMC-simulatieresultaten.

"Onze uitdrukkingen zullen van toepassing zijn op elk gas met eenvoudige moleculen en op elk poreus medium met een willekeurige interne structuur, " zegt Shigeru Yonemura van de Tohoku University, de corresponderende auteur van de studie. "Deze kennis zal niet alleen nuttig zijn voor brandstofceltechnologieën, maar ook voor elke technologie waarbij gas door een poreus medium stroomt. Onze volgende stap is het construeren van een theoretische uitdrukking voor tortuositeit van capillaire buizen. Hiermee, we zullen onze uitdrukkingen kunnen voltooien om de gasstroomsnelheden door elk poreus medium te schatten."