Vloeibare brandstoffen met een hoge energiedichtheid zijn essentieel in veel toepassingen waar chemische energie wordt omgezet in gecontroleerde beweging, zoals in raketten, gasturbines, ketels en bepaalde voertuigmotoren. Naast hun verbrandingseigenschappen en -prestaties, is het ook belangrijk om de veiligheid en stabiliteit van deze brandstoffen te garanderen, zowel tijdens gebruik als tijdens transport en opslag.

Een veelvoorkomend gevaar bij het omgaan met vloeibare brandstoffen is dat ze snel kunnen verdampen als ze de ruimte krijgen, waardoor wolken van licht ontvlambare gassen ontstaan. Zoals te verwachten is, kan dit leiden tot catastrofale explosies of brandongevallen. Om dit probleem aan te pakken, hebben onderzoekers het gebruik van gegeleerde brandstoffen overwogen, of brandstoffen die bij lage temperaturen in dikke gelachtige stoffen zijn veranderd. Er zijn echter veel aspecten die moeten worden geoptimaliseerd en obstakels moeten worden overwonnen voordat gegeleerde brandstoffen de onderzoeksfase kunnen overstijgen.

Een team van onderzoekers onder leiding van prof. Naoki Hosoya van het Shibaura Institute of Technology (SIT) en prof. Shingo Maeda van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, heeft onlangs een meer overtuigende oplossing voor het veiligheidsprobleem van vloeibare brandstoffen onderzocht, namelijk ze op te slaan in polymere gelnetwerken. In hun onderzoek analyseerde het team de prestaties, voordelen en beperkingen van het opslaan van ethanol, een veel voorkomende vloeibare brandstof, in een chemisch verknoopte poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPPAm) gel. Dit artikel is gepubliceerd in het Chemical Engineering Journal .

Eerst controleerden ze of het opsluiten van ethanolmoleculen in de lange en chemisch verweven PNIPAAm-polymeerketens de verdampingssnelheid hielp verminderen. Om dit te testen, creëerden de onderzoekers kleine bolletjes PNIPAAm-gel geladen met ethanol en plaatsten ze op een elektronische schaal om vast te leggen hoe de massa veranderde terwijl ethanol verdampte. Ze voerden dit experiment ook uit met een equivalente plas ethanol, met ongeveer hetzelfde oppervlak en dezelfde massa als de gelbol.

Ze ontdekten dat het opslaan van ethanol in de polymeergel de neiging van de brandstof om snel te verdampen volledig onderdrukte. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de manier waarop ethanolmoleculen in de gel worden "gevangen", zoals prof. Hosoya uitlegt dat "de polymere gel ontelbare driedimensionale polymeerketens bevat die op een sterke manier chemisch verknoopt zijn. Deze ketens binden de ethanolmoleculen door verschillende fysieke interacties, waardoor de verdamping in het proces wordt beperkt." Interessant is dat de geladen gel zich niet gedraagt ​​​​als een natte handdoek. Terwijl een natte handdoek zijn vloeistof zou afgeven als hij werd uitgewrongen, liet de polymere gel ethanol niet gemakkelijk vrij onder externe krachten.

Toen het probleem van verdamping was opgelost, ging het team verder met het onderzoeken van de feitelijke verbrandingskenmerken van de ethanol in het polymere gelnetwerk om te zien of ze efficiënt verbrandden. Ze staken met ethanol beladen gelbollen van verschillende groottes aan en observeerden de veranderingen in hun massa- en vormprofielen in realtime. Op basis hiervan bepaalden ze dat het verbranden van de geladen PNIPAAm-gelbolletjes uit twee fasen bestond:een fase die werd gedomineerd door pure ethanolverbranding, gevolgd door een tweede fase die werd gedomineerd door het verbranden van het PNIPAAm-polymeer zelf.

Door een daaropvolgende theoretische analyse van deze resultaten kwam het team tot een belangrijke conclusie:de eerste en belangrijkste verbrandingsfase van de geladen PNIPAAm-gelbollen volgt een constant druppeltemperatuurmodel, ook bekend als de "d ² wet." Wat dit betekent is dat de verbranding van de met ethanol beladen gel kan worden beschreven door hetzelfde model dat wordt gebruikt voor druppeltjes vloeibare brandstof, wat erop wijst dat hun verbrandingsprestaties vergelijkbaar zouden moeten zijn.

Over het algemeen is deze studie een opstap naar nieuwe manieren om vloeibare brandstoffen veilig te transporteren en op te slaan in polymeergels, wat vele levens zou kunnen redden. "Polymere gelopslag kan explosies en brandongevallen voorkomen door de verdamping van brandstoffen drastisch te verminderen en, op hun beurt, de vorming van ontvlambare gasvormige mengsels, wat gemakkelijk kan gebeuren na een lek in een opslagfaciliteit", legt prof. Hosoya uit. "Er moet nog veel werk worden verzet op dit front, zoals het controleren van de stabiliteit en prestaties van polymere gels bij verschillende temperatuur-, druk- en vochtigheidsomstandigheden, evenals het ontwikkelen van eenvoudiger fabricageprocedures en betere manieren om deze met brandstof beladen gels in echte motoren." + Verder verkennen

Hoe vliegtuigen hoger kunnen komen, groener kunnen zijn met gedoteerde brandstoffen