Forskere viser, hvordan man opbevarer flydende brændstoffer i polymere geler for at forhindre eksplosioner og brande

Flydende brændstoffer med høj energitæthed er afgørende i mange applikationer, hvor kemisk energi omdannes til kontrolleret bevægelse, såsom i raketter, gasturbiner, kedler og visse køretøjsmotorer. Udover deres forbrændingsegenskaber og ydeevne er det også vigtigt at garantere sikkerheden og stabiliteten af ​​disse brændstoffer under brug samt under transport og opbevaring.

En almindelig fare ved håndtering af flydende brændstoffer er, at de kan fordampe hurtigt, hvis de får plads, hvilket producerer skyer af meget brandfarlige gasser. Som man kunne forvente, kan dette føre til katastrofale eksplosioner eller brandulykker. For at tackle dette problem har forskere overvejet brugen af ​​gelerede brændstoffer eller brændstoffer, der bliver til tykke gel-lignende stoffer fra kolde temperaturer. Der er dog mange aspekter at optimere og forhindringer at overvinde, før gelerede brændstoffer kan gå ud over forskningsfasen.

Et team af forskere ledet af Prof. Naoki Hosoya fra Shibaura Institute of Technology (SIT) og Prof. Shingo Maeda fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, undersøgte for nylig en mere overbevisende løsning på sikkerhedsproblemet med flydende brændstoffer, nemlig opbevare dem inde i polymere gel-netværk. I deres undersøgelse analyserede holdet ydeevnen, fordelene og begrænsningerne ved at opbevare ethanol, et almindeligt flydende brændstof, i en kemisk tværbundet poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPPAm) gel. Denne artikel blev offentliggjort i Chemical Engineering Journal .

Først undersøgte de, om indfangning af ethanolmolekyler i de lange og kemisk sammenflettede PNIPAAm-polymerkæder hjalp med at reducere dets fordampningshastighed. For at teste dette skabte forskerne små kugler af PNIPAAm gel fyldt med ethanol og placerede dem på en elektronisk skala for at registrere, hvordan massen ændrede sig, da ethanol fordampede. De udførte også dette eksperiment med en tilsvarende pøl af ethanol, med nogenlunde samme overfladeareal og masse som gelkuglen.

De fandt ud af, at opbevaring af ethanol i polymergelen fuldstændigt undertrykte brændstoffets tendens til hurtigt at fordampe. Dette skyldes sandsynligvis, hvordan ethanolmolekyler "fanges" i gelen, da Prof. Hosoya forklarer, at "den polymere gel indeholder utallige tredimensionelle polymerkæder, der er kemisk tværbundne på en stærk måde. Disse kæder binder ethanolmolekylerne gennem forskellige fysiske interaktioner, hvilket begrænser dets fordampning i processen." Interessant nok opfører den fyldte gel sig ikke som et vådt håndklæde. Mens et vådt håndklæde ville frigive sin væske, hvis det blev opvredet, udledte den polymere gel ikke let ethanol under ydre kræfter.

Da problemet med fordampning var løst, gik holdet videre for at undersøge de faktiske forbrændingskarakteristika af ethanolen i det polymere gel-netværk for at se, om de brændte effektivt. De antændte ethanolfyldte gelkugler af forskellige størrelser og observerede ændringerne i deres masse- og formprofiler i realtid. Baseret på dette fastslog de, at afbrændingen af ​​de ladede PNIPAAm-gelsfærer bestod af to faser:en fase domineret af ren ethanolbrænding, efterfulgt af en anden fase domineret af selve PNIPAA-polymeren.

Gennem en efterfølgende teoretisk analyse af disse resultater kom holdet til en vigtig konklusion:den første og vigtigste forbrændingsfase af de fyldte PNIPAAm gelkugler følger en konstant dråbetemperaturmodel, også kendt som "d ² lov." Hvad dette betyder er, at forbrændingen af ​​den ethanolfyldte gel kan beskrives af den samme model, der bruges til flydende brændstofdråber, hvilket antyder, at deres forbrændingsydelse bør være ens.

Samlet set er denne undersøgelse et springbræt mod nye måder at sikkert transportere og opbevare flydende brændstoffer inde i polymergeler, som kan redde mange liv. "Opbevaring af polymergel kan forhindre eksplosioner og brandulykker ved drastisk at reducere fordampningen af ​​brændstoffer og til gengæld dannelsen af ​​brændbare gasblandinger, som let kan ske efter en lækage i et lageranlæg," forklarer prof. Hosoya. "Der er stadig meget arbejde at gøre på denne front, såsom at kontrollere stabiliteten og ydeevnen af ​​polymergeler ved forskellige temperatur-, tryk- og fugtforhold, samt at udvikle enklere fremstillingsprocedurer og bedre måder at bruge disse brændstoffyldte geler i rigtige motorer." + Udforsk yderligere

Hvordan fly kan komme højere, vær grønnere ved at bruge dopede brændstoffer