Una nueva técnica de rayos X para medir las temperaturas en las llamas de combustión podría conducir a biocombustibles más limpios.
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Comprender la dinámica de la combustión de los biocombustibles (combustibles hechos de plantas, algas o desechos animales) es esencial para construir motores limpios y eficientes alimentados con biocombustibles. Un factor importante de esta dinámica es la temperatura.
Científicos del Departamento de Energía de los Estados Unidos (GAMA) El Laboratorio Nacional de Argonne, la Universidad de Yale y la Universidad Estatal de Pensilvania refinaron y utilizaron una técnica de rayos X para medir las temperaturas en una llama extremadamente caliente y cargada de hollín producida por la combustión. Históricamente, tales mediciones han sido un desafío. La nueva técnica puede potencialmente ayudar a reducir las emisiones de los motores que funcionan con biocombustibles.
La necesidad de optimizar los biocombustibles
Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes debido a la quema de combustibles fósiles requerirá cambios importantes en los sistemas energéticos. los Administración de Información de Energía de EE. UU. informa que hay más de mil millones de vehículos de propulsión fósil en todo el mundo, y prevé que la flota de vehículos convencionales alcanzará su punto máximo en 2038.
Mientras tanto, los biocombustibles avanzados de combustión más limpia pueden ayudar potencialmente a reducir los contaminantes. Esto es particularmente cierto para aviones, barcos y otros vehículos pesados que siguen siendo difíciles de electrificar con las tecnologías actuales.
Pero desarrollar nuevos sistemas de combustión para biocombustibles avanzados no es tarea fácil. Una barrera clave ha sido medir con precisión las temperaturas en las llamas producidas por la combustión de biocombustibles. Las temperaturas son entradas críticas en los modelos que utilizan los investigadores para simular las llamas de combustión y sus emisiones.
“La temperatura tiene una gran influencia en las velocidades de reacción química en las llamas”, dijo Alan Kastengren, un físico de Argonne que fue uno de los autores del estudio.“Si los modelos no tienen temperaturas precisas, probablemente no estén prediciendo la química correctamente. Los 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 temperaturas con 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 presentes en las llamas 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 el análisis de llamas. 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, introdujeron una pequeña cantidad del gas criptón en una llama compuesta de aire y metano (un componente principal del gas natural). Esta es una llama estándar utilizada por laboratorios de todo el mundo en la investigación de combustión. Krypton es un elemento con una reactividad extremadamente baja, por lo que no cambia la química de la llama.
Luego, en la Fuente Avanzada de Fotones de Argonne (APS), a GAMA Instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias, los investigadores bombardearon la llama con haces de rayos X de alta energía. En respuesta, los átomos de criptón emitieron 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 la fluorescencia de rayos X emitida. Esto permitió a los investigadores mapear la presencia de átomos de criptón y cuantificar su densidad a lo largo de 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.
Una clave del éxito del experimento fue el uso de haces de rayos X ultrabrillantes en el APS. Haces de rayos X generados por instalaciones como el APS tienen una intensidad mucho mayor y haces mucho más enfocados que los creados en los laboratorios.
“Una fuente de rayos X a escala de laboratorio es como una bombilla. Los haces de rayos X salen en todas direcciones”, dijo Kastengren.“Con los sincrotrones, los haces de rayos X van todos en la misma dirección. Eso hace que sea mucho más fácil para nosotros usar el haz de manera efectiva para medir las interacciones con la llama”.
Muchas formas de aplicar la técnica.
Si bien los investigadores refinaron la técnica de rayos X utilizando una llama de metano, los métodos se pueden aplicar para medir temperaturas en otras llamas, incluidas las producidas por la combustión de biocombustibles. Eso puede ayudar a mejorar la precisión de los modelos utilizados para simular llamas en los sistemas de combustión de biocombustibles. Los modelos más robustos pueden potencialmente permitir el descubrimiento de nuevas formas de operar motores de aviones, turbinas de gas y otros sistemas de generación de energía para que sean más eficientes y tengan menos emisiones.
“Imagine cambiar los aviones de combustible estándar a combustible de aviación sostenible”, dijo Robert Tranter, químico senior de Argonne y autor del estudio.“Debe comprender el impacto de ese interruptor en las propiedades de combustión del motor para garantizar que funcione correctamente. Las pruebas físicas de nuevos combustibles en un motor del mundo real son muy costosas. Los modelos de combustión precisos pueden evaluar los combustibles para ayudar a determinar cuándo realizar esas pruebas”.
En términos más generales, los métodos de rayos X pueden avanzar en la comprensión de los aspectos fundamentales de la combustión, apoyando una amplia gama de áreas de investigación. Por ejemplo, pueden informar los esfuerzos para desarrollar sistemas que queman hidrógeno para producir energía. Pueden ayudar con la investigación sobre el uso de llamas para crear nanopartículas de silicio, que tienen aplicaciones potenciales en medicina, baterías y otros campos.
La técnica se puede aplicar incluso más allá de la investigación de la combustión. Potencialmente, puede respaldar cualquier experimento de laboratorio que requiera mediciones precisas de temperatura en entornos hostiles.
“Siempre nos encontramos con diferentes sistemas en los que los investigadores necesitan mediciones de temperatura precisas”, dijo Tranter.“Estamos abiertos a colaborar con ellos”.
El estudio fue publicado en Avances de la ciencia. Además de Kastengren y Tranter, los autores son Matthew J. Montgomery, Yale; Hyunguk Kwon, Penn State; Lisa D. Pfefferle, Yale; Travis Sikes, Argonne; Yuan Xuan, Penn State y Charles S. McEnally, Yale.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE bajo la Oficina de Tecnologías de Bioenergía y la Oficina de Tecnologías de Vehículos, así como por los Programas de Ciencias Energéticas Básicas y Física Química en Fase Gaseosa bajo la GAMAOficina de Ciencias.
Fuente: Laboratorio Nacional de Argonne
