Mirar profundamente a la llama

Newswise – La nueva tecnología de rayos X para medir las temperaturas en una llama de combustión podría conducir a biocombustibles más limpios.

Comprender la dinámica de la combustión. biocombustibles Los combustibles hechos de plantas, algas o desechos animales son esenciales para construir motores de biocombustibles limpios y eficientes. Un factor importante de esta dinámica es la temperatura.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Universidad de Yale y la Universidad Estatal de Pensilvania han perfeccionado y utilizado una técnica de rayos X para medir las temperaturas en una llama extremadamente caliente transportada por hollín. Tales mediciones han sido históricamente difíciles. La nueva tecnología podría ayudar a reducir las emisiones de los motores de biocombustibles.

«La temperatura tiene un impacto significativo en las velocidades de reacción química en las llamas. Si los modelos no contienen temperaturas precisas, probablemente no predigan la química correctamente. Mejores modelos de combustión permiten a los investigadores diseñar mejores sistemas de combustión». – Alan Kastengren, físico de Argonne

La necesidad de mejorar biocombustibles

Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes de la quema de combustibles fósiles requerirá cambios importantes en los sistemas energéticos. los Administración de Información de Energía de EE. UU. Los informes indican que hay más de mil millones de vehículos de propulsión fósil en todo el mundo, y se espera que la flota de vehículos convencionales alcance su punto máximo en 2038.

Combustión más limpia y avanzada biocombustibles Puede ayudar a reducir los contaminantes mientras tanto. Esto es especialmente cierto para aviones, barcos y otros vehículos pesados ​​que aún son difíciles de electrificar con las tecnologías actuales.

Pero desarrollar nuevos sistemas de combustión para biocombustibles avanzados no es una tarea fácil. La principal barrera fue la medición precisa de las temperaturas en las llamas de la combustión de biocombustibles. Las temperaturas son una entrada fundamental en los modelos que utilizan los investigadores para simular las llamas y sus emisiones.

«La temperatura tiene un impacto significativo en las velocidades de reacción química en las llamas», dijo Alan Castingren, físico de Argonne que fue uno de los autores del estudio. «Si los modelos no tienen temperaturas precisas, probablemente no predicen la química correctamente. Mejores modelos de combustión permiten a los investigadores diseñar mejores sistemas de combustión, ya sean motores de combustión interna o sistemas de generación de electricidad».

Medición de temperatura por rayos X y átomos de criptón

Medir la temperatura de la llama es sorprendentemente difícil. Los investigadores han utilizado previamente láseres y otros dispositivos para evaluar las llamas. Sin embargo, las partículas de hollín en la llama pueden interferir con su capacidad para medir la temperatura.

Los rayos X no se ven afectados en gran medida por las partículas de hollín, por lo que otra posibilidad es utilizar haces de rayos X para analizar la llama. Los investigadores de Argonne, Yale y Penn State utilizaron y refinaron una técnica conocida como fluorescencia de rayos X. La técnica implicó varios pasos. Primero, insertaron una pequeña cantidad de criptón gaseoso en una llama compuesta de aire y metano (un componente esencial del gas natural). Esta es la llama estándar utilizada por los laboratorios de todo el mundo en la investigación de combustión. Krypton es un elemento con una reactividad muy baja, por lo que no cambia la química de la llama.

Luego, en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) de Argonne, un Facilidad para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOELos investigadores bombardearon las llamas con rayos X de alta energía. En respuesta, los átomos de criptón liberaron rayos X con una cantidad única de energía en un proceso llamado fluorescencia. Luego, el equipo usó un espectrómetro de rayos X para detectar la energía de los rayos X emitidos. Esto permitió a los investigadores mapear la presencia de átomos de criptón y determinar su densidad en toda la llama. Luego, el equipo calculó las temperaturas en diferentes partes de la llama, utilizando una ecuación conocida como la ley de los gases ideales que relaciona la temperatura y la densidad.

La clave del éxito del experimento fue el uso de rayos X ultrabrillantes en APS. Haces de rayos X generados por instalaciones como APS Tiene una intensidad mucho mayor y rayos más enfocados que los creados en laboratorios.

«La fuente de rayos X a escala de laboratorio es un poco como una bombilla. Los rayos X salen en todas direcciones», dijo Castingren. «Con los sincrotrones, todos los haces de rayos X van en la misma dirección. Esto nos facilita el uso eficaz del haz para medir las interacciones con la llama».

Muchas formas de aplicar la tecnología.

A medida que los investigadores refinan la técnica de rayos X utilizando llamas de metano, los métodos se pueden aplicar para medir las temperaturas en otras llamas, incluidas las de la combustión de biocombustibles. Esto podría ayudar a mejorar la precisión de los modelos utilizados para simular llamas en los sistemas de combustión de biocombustibles. Modelos más potentes podrían permitir el descubrimiento de nuevas formas de impulsar motores de aviones, turbinas de gas y otros sistemas de generación de energía para que sean más eficientes y con menos emisiones.

«Imagínese convertir un avión de combustibles estándar a combustible para aviones sostenible», dijo Robert Tranter, químico senior de Argonne y autor del estudio. «Debe comprender el efecto que tiene este interruptor en las propiedades de combustión del motor para asegurarse de que funciona correctamente. Es muy costoso probar físicamente nuevos combustibles en un motor del mundo real. Los modelos de combustión precisos pueden filtrar el combustible para ayudar a determinar cuándo realizar esas pruebas”.

En términos más generales, los métodos de rayos X pueden mejorar la comprensión de los aspectos fundamentales de la combustión, apoyando una amplia gama de áreas de investigación. Por ejemplo, podrían dirigir los esfuerzos para desarrollar sistemas que quemen hidrógeno para producir energía. Pueden ayudar a investigar el uso de llamas para crear nanopartículas de silicio, que tienen aplicaciones potenciales en medicina, pilas y otros campos.

Esta técnica se puede aplicar incluso fuera del ámbito de la investigación de la combustión. Puede respaldar cualquier experimento de laboratorio que requiera mediciones de temperatura precisas en entornos hostiles.

«Siempre nos encontramos con diferentes sistemas en los que los investigadores necesitan mediciones de temperatura precisas», dijo Tranter. «Estamos abiertos a cooperar con ellos».

El estudio fue publicado en progreso de la ciencia. Además de Kastengren y Tranter, los autores son Matthew J. Montgomery, Yale; Hyungok Kwon, Penn State; Lisa de Pfeverley, Yale; Travis Sykes, Argonne; Yuan Xuan, Penn State y Charles S. McNally, Yale.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía en la Oficina de Tecnologías de Bioenergía y la Oficina de Tecnologías de Vehículos, así como los Programas de Física Química de Fase Gaseosa y Ciencias Energéticas Básicas en la Oficina de Ciencias del DOE.

Acerca de la fuente de fotones avanzada

La fuente avanzada de fotones del Departamento de Energía de EE. UU. (APS) en el Laboratorio Nacional de Argonne es una de las instalaciones de fuentes de luz de rayos X más productivas del mundo. APS proporciona rayos X de alto brillo a una comunidad diversa de investigadores en ciencia de materiales, química, física de materia condensada, ciencias de la vida, medio ambiente e investigación aplicada. Estos rayos X son ideales para la exploración de estructuras y materiales biológicos; la distribución de los estados elementales químicos, magnéticos y electrónicos; y una amplia gama de sistemas de ingeniería tecnológicamente importantes de pilas Suministrar inyectores de combustible, todos los cuales son la base del bienestar económico, tecnológico y material de nuestra nación. Cada año, más de 5000 investigadores usan APS para producir más de 2000 publicaciones que detallan los descubrimientos influyentes, resolviendo más estructuras proteicas vitales que cualquier otro centro de investigación que use una fuente de luz de rayos X. Los científicos e ingenieros de APS crean tecnología que está en el corazón de los aceleradores de conducción y las fuentes de luz. Esto incluye dispositivos de entrada que producen rayos X extremadamente brillantes que los investigadores valoran, lentes que enfocan los rayos X hasta unos pocos nanómetros, dispositivos que aumentan la forma en que los rayos X interactúan con las muestras en estudio y software que recolecta y administra la enorme cantidad de datos generados por la investigación de descubrimiento de APS.

Esta investigación utilizó Advanced Photon Source Resources, una instalación de usuario del Departamento de Energía de EE. UU. operada para la Oficina de Ciencias del DOE por el Laboratorio Nacional de Argonne bajo el Contrato DE-AC02-06CH11357.

Laboratorio Nacional de Argonne Busca encontrar soluciones a problemas nacionales apremiantes en ciencia y tecnología. Argonne, el primer laboratorio nacional del país, realiza investigaciones científicas básicas y aplicadas innovadoras en casi todas las disciplinas científicas. Los investigadores de Argonne trabajan en estrecha colaboración con investigadores de cientos de empresas, universidades y agencias federales, estatales y municipales para ayudarlos a resolver sus problemas específicos, promover el liderazgo científico estadounidense y preparar a la nación para un futuro mejor. Con empleados de más de 60 países, Argonne está dirigida por UChicago Argonne, LLC a Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU..

Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Es el mayor partidario de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para más información visite https://energy.gov/sc ience.