Onderzoekers hebben een analytisch instrument ontwikkeld dat een ultrasnelle laser gebruikt voor nauwkeurige temperatuur- en concentratiemetingen van waterstof. Hun nieuwe aanpak zou de studie van groenere brandstoffen op basis van waterstof voor gebruik in ruimtevaartuigen en vliegtuigen vooruit kunnen helpen.

"Dit instrument zal krachtige mogelijkheden bieden om dynamische processen zoals diffusie, vermenging, energieoverdracht en chemische reacties te onderzoeken", zegt onderzoeksteamleider Alexis Bohlin van de Luleå University of Technology in Zweden. "Het begrijpen van deze processen is van fundamenteel belang voor het ontwikkelen van milieuvriendelijkere voortstuwingsmotoren."

In Optics Express , beschrijven Bohlin en collega's van de Technische Universiteit Delft en de Vrije Universiteit Amsterdam, beide in Nederland, hun nieuwe coherente Raman-spectroscopie-instrument voor het bestuderen van waterstof. Het werd mogelijk gemaakt door een opstelling die breedbandlicht van een laser met korte (femtoseconde) pulsen omzet in extreem korte supercontinuümpulsen, die een breed scala aan golflengten bevatten.

De onderzoekers toonden aan dat deze supercontinuümgeneratie kan worden uitgevoerd achter hetzelfde type dik optisch venster dat wordt aangetroffen in hogedrukkamers die worden gebruikt om een ​​op waterstof gebaseerde motor te bestuderen. Dit is belangrijk omdat andere methoden voor het genereren van ultrabreedbandexcitatie niet werken wanneer dit soort optische vensters aanwezig zijn.

"Waterstofrijke brandstof kan, indien gemaakt van hernieuwbare bronnen, een enorme impact hebben op het verminderen van emissies en een belangrijke bijdrage leveren aan het verminderen van antropogene klimaatverandering", zei Bohlin. "Onze nieuwe methode zou kunnen worden gebruikt om deze brandstoffen te bestuderen onder omstandigheden die sterk lijken op die in raket- en ruimtevaartmotoren."

Licht binnenkomen

Er is veel belangstelling voor de ontwikkeling van ruimtevaartmotoren die draaien op hernieuwbare waterstofrijke brandstoffen. Naast hun aantrekkingskracht op duurzaamheid, hebben deze brandstoffen een van de hoogst haalbare specifieke impulsen - een maatstaf voor hoe efficiënt de chemische reactie in een motor stuwkracht creëert. Het was echter een grote uitdaging om op waterstof gebaseerde chemische voortstuwingssystemen betrouwbaar te maken. Dit komt omdat de verhoogde reactiviteit van waterstofrijke brandstoffen de verbrandingseigenschappen van het brandstofmengsel aanzienlijk verandert, wat de vlamtemperatuur verhoogt en de ontstekingsvertragingstijden verkort. Bovendien is de verbranding in raketmotoren over het algemeen erg moeilijk te beheersen vanwege de extreem hoge drukken en hoge temperaturen die optreden bij reizen naar de ruimte.

"De vooruitgang van technologie voor duurzame lancerings- en ruimtevaartvoortstuwingssystemen is afhankelijk van een coherent samenspel tussen experimenten en modellering", zei Bohlin. "Er zijn echter nog verschillende uitdagingen op het gebied van het produceren van betrouwbare kwantitatieve gegevens voor het valideren van de modellen."

Een van de hindernissen is dat de experimenten meestal worden uitgevoerd in een afgesloten ruimte met beperkte transmissie van optische signalen in en uit door optische vensters. Dit venster kan ervoor zorgen dat de supercontinuümpulsen die nodig zijn voor coherente Raman-spectroscopie uitgerekt worden als ze door het glas gaan. Om dit probleem op te lossen, ontwikkelden de onderzoekers een manier om femtoseconde gepulseerde laser door een dik optisch venster te zenden en gebruikten vervolgens een proces dat lasergeïnduceerde filamentatie wordt genoemd om het om te zetten in supercontinuümpulsen die aan de andere kant coherent blijven.

Een waterstofvlam bestuderen

Om het nieuwe instrument te demonstreren, hebben de onderzoekers een femtoseconde laserstraal opgezet met de ideale eigenschappen voor het genereren van supercontinuüm. Vervolgens gebruikten ze het om coherente Raman-spectroscopie uit te voeren door waterstofmoleculen te exciteren en hun rotatieovergangen te meten. Ze waren in staat om robuuste metingen van waterstofgas over een breed temperatuur- en concentratiebereik te demonstreren en ook een waterstof/luchtdiffusievlam te analyseren die vergelijkbaar is met wat zou worden gezien wanneer een waterstofrijke brandstof wordt verbrand.

De onderzoekers gebruiken hun instrument nu om een ​​gedetailleerde analyse uit te voeren in een turbulente waterstofvlam in de hoop nieuwe ontdekkingen te doen over het verbrandingsproces. Met het doel om de methode voor onderzoek en testen van raketmotoren over te nemen, onderzoeken de wetenschappers de beperkingen van de techniek en willen ze deze testen met waterstofvlammen in een afgesloten behuizing onder enigszins onder druk staande behuizing. + Verder verkennen

Nieuwe techniek om temperaturen in verbrandingsvlammen te meten kan leiden tot schonere biobrandstoffen