Een nieuw ontwikkelde analysemethode kan hydroxylradicalen (OH) met ongekende gevoeligheid detecteren. Omdat OH een kritische component is in de verbrandingsprocessen die de meeste voertuigen aandrijven, de nieuwe aanpak zou de ontwikkeling van nieuwe soorten motoren en brandstoffen kunnen bevorderen die efficiënter en milieuvriendelijker zouden zijn.

"In de VS, verbranding produceert 60 procent van onze elektriciteit en drijft 90 procent van het grondtransport en bijna alle luchtvaart aan, " zei hoofdonderzoeker, Shengkai Wang een postdoctoraal onderzoeker in werktuigbouwkunde aan de Stanford University. "Het vermogen om verbrandingsprocessen te onderzoeken en ze op een meer fundamenteel niveau te begrijpen, zou helpen bij de ontwikkeling van verbrandingsstrategieën van de volgende generatie die de efficiëntie kunnen verhogen en de vervuiling kunnen verminderen, " hij zei.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , Wang en Ronald K. Hanson, hoogleraar werktuigbouwkunde aan Stanford, rapporteren een op spectroscopie gebaseerde benadering die niveaus van OH-radicalen detecteerde die minstens vier keer lager waren dan de vorige beste methode die werd gebruikt om OH te analyseren. Onder honderden moleculaire entiteiten die betrokken zijn bij verbrandingsreacties, OH is het belangrijkste omdat het bepaalt of en hoe snel de brandstof zal verbranden.

"OH is extreem moeilijk te meten, vooral in de dynamische en lawaaierige omgevingen van brandstofverbranding, omdat het zeer reactief is en in zeer lage concentraties aanwezig is, "zei Wang. "Onze aanpak maakt de weg vrij voor praktische detectie van OH in het bereik van delen per miljard."

De nieuwe aanpak kan ook nuttig zijn voor toepassingen zoals het bestuderen van atmosferische chemie, waar OH een belangrijke speler is in de vorming en aantasting van ozon, zei Wang.

Vooruitgang in brandstof- en motortechnologie

Een knelpunt bij het op de markt brengen van nieuwe typen motoren of geoptimaliseerde brandstoffen is dat hun verbrandingschemie niet volledig wordt begrepen vanwege een gebrek aan gevoelige analysemethoden. Om dit probleem op te lossen, Wang en zijn collega ontwikkelden een techniek die bekend staat als frequentiemodulatiespectroscopie met behulp van ultraviolet (UV) licht.

Spectroscopie werkt door een laserstraal door het testgas te laten schijnen, waar moleculen het licht gedeeltelijk zullen absorberen. Door het licht te analyseren dat het gasmonster verlaat, kan precies worden bepaald welke moleculen, en hun hoeveelheden, was aanwezig. Echter, spectroscopische meting van OH is geen triviale taak. De extreem lage hoeveelheden OH die aanwezig zijn in verbrandingsreacties, gecombineerd met hoge reactietemperaturen en verschillende geluidsbronnen zoals mechanische trillingen en gasturbulentie, maken praktische detectie van OH erg moeilijk.

In plaats van één lasergolflengte te gebruiken, frequentiemodulatie spectroscopie onderzoekt de verschillen in lichtabsorptie tussen meerdere golflengten, waardoor eventuele ruis die gebruikelijk is bij de metingen kan worden afgetrokken. De methode verschuift ook het signaal afkomstig van OH-absorptie naar een hogere frequentie, waardoor elke laagfrequente drift die de OH-meting uitdaagt, wordt geëlimineerd.

"Het algemene idee van frequentiemodulatie spectroscopie bestaat al een tijdje, maar we zijn de eersten die de toepasbaarheid ervan aantonen voor het detecteren van OH bij dit specifieke golflengtebereik, " zei Wang. "Een reden waarom dit nog niet eerder is gedaan, is dat de hoogwaardige UV-laserbron die nodig is om de OH-absorptie te meten, zeer recent beschikbaar is gekomen."

De onderzoekers testten hun nieuwe aanpak door de verbrandingsreactie van een representatieve brandstof te bestuderen, iso-octaan, in een gecontroleerde reactor. Ze waren in staat om een ​​minimale detecteerbare absorptie van 3,0 X 10 . te bereiken ^-4 bij een temperatuur van 1330 K. Dit komt overeen met het detecteren van 85 delen per miljard OH over een optische lengte van 15 cm en is vier keer beter dan het beste eerder gerapporteerde record.

Als volgende stap, de onderzoekers zijn van plan om betere optische componenten op te nemen, waarvan ze zeggen dat het de gevoeligheid met een andere orde van grootte zou kunnen verbeteren. Ze willen de apparatuur ook draagbaarder maken, zodat deze op een kar naar verschillende gespecialiseerde testfaciliteiten kan worden vervoerd. Een draagbaar systeem zou hen ook in staat stellen om de methode te gebruiken om metingen te doen in praktische motoromstandigheden en om uiteindelijk de methode aan te passen voor het doen van metingen in realistische motoren en verbranders.