Een nieuwe röntgentechniek om temperaturen in verbrandingsvlammen te meten kan leiden tot schonere biobrandstoffen.

Het begrijpen van de dynamiek van de verbranding van biobrandstoffen - brandstoffen gemaakt van planten, algen of dierlijk afval - is essentieel voor het bouwen van schone, efficiënte motoren op biobrandstof. Een belangrijke aanjager van deze dynamiek is temperatuur.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Yale University en Penn State University hebben een röntgentechniek verfijnd en gebruikt om de temperatuur te meten in een extreem hete, met roet beladen vlam die wordt geproduceerd door verbranding. Dergelijke metingen zijn in het verleden een uitdaging geweest. De nieuwe techniek kan mogelijk bijdragen aan het verminderen van de uitstoot van door biobrandstof aangedreven motoren. De studie is gepubliceerd in Science Advances .

Behoefte om biobrandstoffen te optimaliseren

Om de uitstoot van broeikasgassen en andere verontreinigende stoffen als gevolg van de verbranding van fossiele brandstoffen te verminderen, zullen grote veranderingen in energiesystemen nodig zijn. De Amerikaanse Energy Information Administration meldt dat er wereldwijd meer dan een miljard voertuigen op fossiele brandstoffen zijn, en voorspelt dat het conventionele wagenpark in 2038 een piek zal bereiken.

Geavanceerde, schoner brandende biobrandstoffen kunnen in de tussentijd mogelijk helpen om verontreinigende stoffen te verminderen. Dit geldt met name voor vliegtuigen, schepen en andere zware voertuigen die met de huidige technologieën moeilijk te elektrificeren blijven.

Maar het ontwikkelen van nieuwe verbrandingssystemen voor geavanceerde biobrandstoffen is geen gemakkelijke opgave. Een belangrijke barrière is het nauwkeurig meten van temperaturen in vlammen die worden geproduceerd door de verbranding van biobrandstof. Temperaturen zijn kritische inputs in de modellen die onderzoekers gebruiken om verbrandingsvlammen en hun emissies te simuleren.

"Temperatuur heeft een grote invloed op de chemische reactiesnelheden in vlammen", zegt Alan Kastengren, een fysicus uit Argonne die een van de auteurs van het onderzoek was. "Als de modellen geen nauwkeurige temperaturen hebben, voorspellen ze waarschijnlijk de chemie niet correct. Met betere verbrandingsmodellen kunnen onderzoekers betere verbrandingssystemen ontwerpen, of het nu interne verbrandingsmotoren of elektriciteitsopwekkingssystemen zijn."

Temperaturen meten met röntgenstralen en krypton-atomen

Het meten van vlamtemperaturen is verrassend moeilijk. Onderzoekers hebben eerder lasers en andere apparaten gebruikt om vlammen te evalueren. De roetdeeltjes die in vlammen aanwezig zijn, kunnen echter interfereren met hun vermogen om temperatuur te meten.

Röntgenstralen worden grotendeels onaangetast door roetdeeltjes, dus een andere mogelijkheid is om röntgenstralen te gebruiken voor vlamanalyse. De onderzoekers van Argonne, Yale en Penn State gebruikten en verfijnden een techniek die bekend staat als röntgenfluorescentie. De techniek omvatte verschillende stappen. Eerst brachten ze een kleine hoeveelheid van het gas krypton in een vlam die bestond uit lucht en methaan (een hoofdbestanddeel van aardgas). Dit is een standaardvlam die door laboratoria wereldwijd wordt gebruikt bij verbrandingsonderzoek. Krypton is een element met een extreem lage reactiviteit, dus het verandert de chemie van de vlam niet.

Vervolgens bombardeerden de onderzoekers bij Argonne's Advanced Photon Source (APS), een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science, de vlam met hoogenergetische röntgenstralen. Als reactie gaven de krypton-atomen röntgenstralen af ​​met een unieke hoeveelheid energie in een proces dat fluorescentie wordt genoemd. Het team gebruikte vervolgens een röntgenspectrometer om de energie van de uitgezonden röntgenfluorescentie te detecteren. Dit stelde de onderzoekers in staat om de aanwezigheid van krypton-atomen in kaart te brengen en hun dichtheid door de vlam te kwantificeren. Vervolgens berekende het team de temperaturen in verschillende delen van de vlam, met behulp van een vergelijking die bekend staat als de ideale gaswet die temperatuur en dichtheid met elkaar in verband brengt.

Een sleutel tot het succes van het experiment was het gebruik van de ultraheldere röntgenstralen bij de APS. Röntgenstralen die worden gegenereerd door faciliteiten zoals de APS hebben een veel grotere intensiteit en veel meer gefocuste stralen dan die welke in laboratoria worden gemaakt.

"Een röntgenbron op laboratoriumschaal is een soort gloeilamp. De röntgenstralen gaan alle kanten op", zegt Kastengren. "Met synchrotrons gaan de röntgenstralen allemaal in dezelfde richting. Dat maakt het voor ons veel gemakkelijker om de bundel effectief te gebruiken om de interacties met de vlam te meten."

Vele manieren om de techniek toe te passen

Terwijl de onderzoekers de röntgentechniek verfijnden met behulp van een methaanvlam, kunnen de methoden worden toegepast om temperaturen in andere vlammen te meten, waaronder die geproduceerd door verbranding van biobrandstof. Dat kan de nauwkeurigheid helpen verbeteren van de modellen die worden gebruikt om vlammen in verbrandingssystemen voor biobrandstoffen te simuleren. Robuuste modellen kunnen mogelijk nieuwe manieren mogelijk maken om vliegtuigmotoren, gasturbines en andere energieopwekkende systemen te laten werken, zodat ze efficiënter zijn en minder uitstoot hebben.

"Stel je voor dat je vliegtuigen overschakelt van standaardbrandstof naar duurzame vliegtuigbrandstof", zegt Robert Tranter, senior chemicus bij Argonne en auteur van het onderzoek. "Je moet de impact van die schakelaar op de verbrandingseigenschappen in de motor begrijpen om ervoor te zorgen dat deze goed werkt. Het fysiek testen van nieuwe brandstoffen in een echte motor is erg duur. Nauwkeurige verbrandingsmodellen kunnen brandstoffen screenen om te helpen bepalen wanneer doe die tests."

Meer in het algemeen kunnen de röntgenmethoden het begrip van fundamentele aspecten van verbranding vergroten en een breed scala aan onderzoeksgebieden ondersteunen. Ze kunnen bijvoorbeeld bijdragen aan de ontwikkeling van systemen die waterstof verbranden om energie te produceren. Ze kunnen helpen bij onderzoek naar het gebruik van vlammen om silicium nanodeeltjes te maken, die potentiële toepassingen hebben in de geneeskunde, batterijen en andere gebieden.

De techniek kan zelfs buiten het verbrandingsonderzoek worden toegepast. Het kan mogelijk alle laboratoriumexperimenten ondersteunen die nauwkeurige temperatuurmetingen in vijandige omgevingen vereisen.

"We komen altijd verschillende systemen tegen waarbij onderzoekers nauwkeurige temperatuurmetingen nodig hebben", zegt Tranter. "We staan ​​open voor samenwerking met hen."

Naast Kastengren en Tranter zijn de auteurs Matthew J. Montgomery, Yale; Hyunguk Kwon, Penn State; Lisa D. Pfefferle, Yale; Travis Sikes, Argonne; Yuan Xuan, Penn State en Charles S. McEnally, Yale. + Verder verkennen

Gas onder druk zetten