Nyt laserbaseret instrument designet til at øge brintforskningen

Forskere har udviklet et analyseinstrument, der bruger en ultrahurtig laser til præcise temperatur- og koncentrationsmålinger af brint. Deres nye tilgang kan hjælpe med at fremme undersøgelsen af ​​grønnere brintbaserede brændstoffer til brug i rumfartøjer og fly.

"Dette instrument vil give kraftfulde kapaciteter til at sondere dynamiske processer såsom diffusion, blanding, energioverførsel og kemiske reaktioner," sagde leder af forskningsteamet Alexis Bohlin fra Luleå Tekniske Universitet i Sverige. "Forståelse af disse processer er grundlæggende for at udvikle mere miljøvenlige fremdriftsmotorer."

I Optics Express , Bohlin og kolleger fra Delft University of Technology og Vrije Universiteit Amsterdam, begge i Holland, beskriver deres nye sammenhængende Raman-spektroskopiinstrument til at studere brint. Det blev gjort muligt på grund af et setup, der konverterer bredbåndslys fra en laser med korte (femtosekund) pulser til ekstremt korte superkontinuumpulser, som indeholder en lang række bølgelængder.

Forskerne demonstrerede, at denne superkontinuumgenerering kunne udføres bag den samme type tykke optiske vinduer, der findes på højtrykskamre, der bruges til at studere en brint-baseret motor. Dette er vigtigt, fordi andre metoder til at generere ultrabredbåndsexcitation ikke virker, når disse typer optiske vinduer er til stede.

"Brintrigt brændstof, når det fremstilles af vedvarende ressourcer, kan have en enorm indflydelse på at reducere emissioner og yde et væsentligt bidrag til at lindre menneskeskabte klimaændringer," sagde Bohlin. "Vores nye metode kunne bruges til at studere disse brændstoffer under forhold, der ligner dem i raket- og rumfartsmotorer."

Få lys ind

Der er stor interesse for at udvikle rumfartsmotorer, der kører på vedvarende brintrige brændstoffer. Ud over deres bæredygtighedsappel har disse brændstoffer blandt de højest opnåelige specifikke impulser - et mål for, hvor effektivt den kemiske reaktion i en motor skaber fremdrift. Det har dog været meget udfordrende at gøre brintbaserede kemiske fremdriftssystemer pålidelige. Dette skyldes, at den øgede reaktivitet af brintrige brændstoffer væsentligt ændrer brændstofblandingens forbrændingsegenskaber, hvilket øger flammetemperaturen og reducerer antændingsforsinkelsestider. Desuden er forbrænding i raketmotorer generelt meget udfordrende at kontrollere på grund af de ekstremt høje tryk og høje temperaturer, man støder på, når man rejser til rummet.

"Udviklingen af ​​teknologi til bæredygtige opsendelses- og rumfartsfremdrivningssystemer afhænger af et sammenhængende samspil mellem eksperimenter og modellering," sagde Bohlin. "Der er dog stadig flere udfordringer i forhold til at producere pålidelige kvantitative data til validering af modellerne."

En af forhindringerne er, at eksperimenterne normalt udføres i et lukket rum med begrænset transmission af optiske signaler ind og ud gennem optiske vinduer. Dette vindue kan forårsage, at de superkontinuumimpulser, der er nødvendige for kohærent Raman-spektroskopi, bliver strakt ud, når de går gennem glasset. For at overvinde dette problem udviklede forskerne en måde at transmittere femtosekund pulseret laser gennem et tykt optisk vindue og brugte derefter en proces kaldet laserinduceret filamentering til at transformere den til superkontinuumimpulser, der forbliver sammenhængende på den anden side.

Undersøgelse af en brintflamme

For at demonstrere det nye instrument opsatte forskerne en femtosekund laserstråle med de ideelle egenskaber til superkontinuumgenerering. De brugte det derefter til at udføre sammenhængende Raman-spektroskopi ved at excitere brintmolekyler og måle deres rotationsovergange. De var i stand til at demonstrere robuste målinger af brintgas over en lang række temperaturer og koncentrationer og analyserede også en brint/luft-diffusionsflamme svarende til, hvad man ville se, når et brintrigt brændstof brændes.

Forskerne bruger nu deres instrument til at udføre en detaljeret analyse i en turbulent brintflamme i håb om at gøre nye opdagelser om forbrændingsprocessen. Med et mål om at tage metoden til forskning og afprøvning af raketmotorer udforsker forskerne teknikkens begrænsninger og vil gerne teste den med brintflammer i et lukket, let tryksat hus. + Udforsk yderligere

Ny teknik til at måle temperaturer i forbrændingsflammer kan føre til renere biobrændstoffer