Windturbines die honderden meters boven vele landschappen uittorenen, kondigen een toekomst aan van eindeloze, schone energie.

Maar in cruciale zin, turbines blijven geworteld in het verleden:net als bij uw auto, hun motoren hebben smering nodig om soepel te lopen. De vraag voor veel chemische ingenieurs is:hoe verleng je de levensduur van de smeermiddelen?

In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , Vineeth Chandran Suja, een afgestudeerde student aan Stanford in chemische technologie, onderzoekt een van de kernproblemen:schuimende olie.

Het probleem, hij zegt, is dat of het nu in uw auto is of in een windturbine, elke keer dat metalen tandwielen tegen andere metalen schuren, olie wordt rondgeklotst en vermengd met lucht. Dit resulteert vaak in de vorming van kleine belletjes met verschillende levensduur. Als de bubbels niet meteen barsten, ze verzamelen al snel in een schuim, dat is een van de belangrijkste mechanismen van motorafname.

Het schuim is op verschillende manieren schadelijk. Het degradeert het smeermiddel en laat tandwielen slijpen. Zuurstof gevangen in olieschuim zorgt ervoor dat de metalen onderdelen oxideren, dat is, roesten. En het schuim werkt als een thermische isolator, het vasthouden van schadelijke warmte in het systeem. Vandaar, smeermiddelenfabrikanten zijn actief op zoek naar manieren om schuimvorming van smeermiddelen te verminderen.

Om de omstandigheden die aanleiding geven tot schuimen beter te begrijpen, de onderzoekers, onder leiding van Gerard Fuller, hoogleraar chemische technologie, een reeks technieken aangepast die oorspronkelijk waren ontwikkeld om de vloeistoflaag te bestuderen die de buitenkant van het menselijk oog smeert. Deze nieuwe technieken stelden hen in staat om de kleurrijke patronen op het oppervlak van individuele oliebellen te bestuderen - een belangrijke vooruitgang van eerder onderzoek, die zich richtte op schuimen in het aggregaat.

Toen Fuller en Suja inzoomden op het iriserende oppervlak van hun kleine oliebelletjes, ze ontdekten dat de kleurpatronen de dikte van de bellenwand onthulden. helderder, meer levendige kleuren duidden op dikkere muren die leidden tot meer aanhoudende luchtbellen en, Vandaar, schuimiger, minder effectieve oliën, zegt Suja, wie was de eerste auteur op het papier. Donkerdere kleuren duidden op dunwandige bubbels die snel zouden knappen, dus de oliën die langer meegaan en voor een betere smering zorgen.

De onderzoekers gebruikten hun nieuwe kleurcoderingstechniek om te bepalen waarom sommige motoroliën de neiging hebben om schuimend te worden. Hun uiteindelijke doel was om erachter te komen hoe ze langer houdbare oliën kunnen maken. Daarbij deden ze een verrassende ontdekking over hoe verdamping meespeelt in belvorming en schuimvorming.

Terwijl ze inzoomden, ze zagen dat verdamping aan de bovenkant van elke bel ervoor zorgde dat de oppervlaktespanning veranderde, extra olie naar boven trekken. Deze extra olie maakte de bellenwand dikker en sterker, en voorkomen dat het barst. Ze maakten videobeelden van de bubbels die pulseerden terwijl tranen van olie zich aan de bovenkant verzamelden, rolde vervolgens de buitenwand van de bel naar beneden om door verdamping weer naar boven te komen. Naarmate de cyclus vorderde, deze hardnekkige, dikwandige bellen hadden de neiging om ongewenste schuimen te worden. "Leren dat dit hele proces wordt aangedreven door verdamping was een beetje een onverwacht resultaat, ' zegt Fuller.

De onderzoekers toonden aan dat dit effect het meest uitgesproken is in blended, multi-grade oliën, maar vrijwel afwezig in homogene, enkelvoudige oliën. "Het blijkt, als u schuimvorming wilt verminderen, u hoge zuiverheid wilt gebruiken, enkelvoudige oliën, ' zegt Fuller.

Suja en Fuller volgen nu twee strategieën om manieren te vinden om schuimvorming te verminderen of te elimineren. De eerste is om hun begrip van bellenvorming te formaliseren, verdampen en schuimen met wiskundige modellen waarmee ze kunnen simuleren hoe pure of gemengde oliën in het echte leven waarschijnlijk zullen presteren. Dit zou het onderzoeks- en ontdekkingsproces voor nieuwe oliën versnellen. De tweede is om te zoeken naar antischuimadditieven of andere manieren om die pulserende tranen tegen te gaan.

Dit is een fundamentele studie die een groot probleem opheldert dat smering plaagt, zegt Fuller. "Het wijst ons ook in een aantal interessante nieuwe richtingen."