Eine neue Technik zur Temperaturmessung in Verbrennungsflammen könnte zu saubereren Biokraftstoffen führen

Eine neue Röntgentechnik zur Temperaturmessung in Verbrennungsflammen könnte zu saubereren Biokraftstoffen führen.

Das Verständnis der Verbrennungsdynamik von Biokraftstoffen – Kraftstoffen aus Pflanzen, Algen oder tierischen Abfällen – ist für den Bau sauberer, effizienter Biokraftstoff-betriebener Motoren unerlässlich. Ein wichtiger Treiber dieser Dynamik ist die Temperatur.

Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), der Yale University und der Penn State University haben eine Röntgentechnik verfeinert und verwendet, um Temperaturen in einer extrem heißen, rußbeladenen Flamme zu messen, die durch Verbrennung entsteht. Solche Messungen waren in der Vergangenheit eine Herausforderung. Die neue Technik kann möglicherweise dazu beitragen, die Emissionen von mit Biokraftstoff betriebenen Motoren zu reduzieren. Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.

Biokraftstoffe müssen optimiert werden

Die Verringerung der Emissionen von Treibhausgasen und anderen Schadstoffen aufgrund der Verbrennung fossiler Brennstoffe erfordert große Veränderungen in den Energiesystemen. Die US Energy Information Administration berichtet, dass es weltweit weit über eine Milliarde fossil betriebener Fahrzeuge gibt, und prognostiziert, dass die konventionelle Fahrzeugflotte im Jahr 2038 ihren Höhepunkt erreichen wird.

Fortschrittliche, sauberer verbrennende Biokraftstoffe können in der Zwischenzeit potenziell dazu beitragen, Schadstoffe zu reduzieren. Dies gilt insbesondere für Flugzeuge, Schiffe und andere Schwerlastfahrzeuge, die mit aktuellen Technologien nach wie vor schwer zu elektrifizieren sind.

Die Entwicklung neuer Verbrennungssysteme für fortschrittliche Biokraftstoffe ist jedoch keine leichte Aufgabe. Ein Haupthindernis war die genaue Messung der Temperaturen in Flammen, die durch die Verbrennung von Biokraftstoffen erzeugt wurden. Temperaturen sind entscheidende Eingaben in die Modelle, die Forscher verwenden, um Verbrennungsflammen und ihre Emissionen zu simulieren.

„Die Temperatur hat einen großen Einfluss auf die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen in Flammen“, sagte Alan Kastengren, ein Argonne-Physiker, der einer der Autoren der Studie war. „Wenn die Modelle keine genauen Temperaturen haben, sagen sie die Chemie wahrscheinlich nicht richtig voraus. Bessere Verbrennungsmodelle ermöglichen es Forschern, bessere Verbrennungssysteme zu entwerfen – seien es Verbrennungsmotoren oder Stromerzeugungssysteme.“

Temperaturmessung mit Röntgenstrahlen und Kryptonatomen

Flammentemperaturen zu messen ist überraschend schwierig. Forscher haben zuvor Laser und andere Geräte verwendet, um Flammen zu bewerten. Die in Flammen vorhandenen Rußpartikel können jedoch deren Fähigkeit zur Temperaturmessung beeinträchtigen.

Röntgenstrahlen sind von Rußpartikeln weitgehend unbeeinflusst, daher besteht eine weitere Möglichkeit darin, Röntgenstrahlen zur Flammenanalyse zu verwenden. Die Forscher von Argonne, Yale und Penn State verwendeten und verfeinerten eine Technik, die als Röntgenfluoreszenz bekannt ist. Die Technik beinhaltete mehrere Schritte. Zuerst führten sie eine kleine Menge des Gases Krypton in eine Flamme ein, die aus Luft und Methan (einem Hauptbestandteil von Erdgas) bestand. Dies ist eine Standardflamme, die weltweit von Labors in der Verbrennungsforschung verwendet wird. Krypton ist ein Element mit extrem geringer Reaktivität, sodass es die Chemie der Flamme nicht verändert.

Als nächstes bombardierten die Forscher an der Advanced Photon Source (APS) von Argonne, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, die Flamme mit hochenergetischen Röntgenstrahlen. Als Reaktion darauf gaben die Kryptonatome in einem als Fluoreszenz bezeichneten Prozess Röntgenstrahlen mit einer einzigartigen Energiemenge ab. Das Team verwendete dann ein Röntgenspektrometer, um die Energie der emittierten Röntgenfluoreszenz zu bestimmen. Dies ermöglichte den Forschern, das Vorhandensein von Kryptonatomen abzubilden und ihre Dichte in der gesamten Flamme zu quantifizieren. Dann berechnete das Team Temperaturen in verschiedenen Teilen der Flamme unter Verwendung einer Gleichung, die als ideales Gasgesetz bekannt ist und Temperatur und Dichte in Beziehung setzt.

Ein Schlüssel zum Erfolg des Experiments war die Nutzung der ultrahellen Röntgenstrahlen am APS. Röntgenstrahlen, die von Einrichtungen wie dem APS erzeugt werden, haben eine viel größere Intensität und viel fokussiertere Strahlen als die in Labors erzeugten.

„Eine Röntgenquelle im Labormaßstab ist so etwas wie eine Glühbirne. Die Röntgenstrahlen gehen in alle Richtungen aus“, sagte Kastengren. „Bei Synchrotrons gehen die Röntgenstrahlen alle in die gleiche Richtung. Das macht es für uns viel einfacher, den Strahl effektiv zu nutzen, um die Wechselwirkungen mit der Flamme zu messen.“

Viele Möglichkeiten, die Technik anzuwenden

Während die Forscher die Röntgentechnik unter Verwendung einer Methanflamme verfeinerten, können die Methoden angewendet werden, um Temperaturen in anderen Flammen zu messen, einschließlich solcher, die durch die Verbrennung von Biokraftstoffen entstehen. Dies kann dazu beitragen, die Genauigkeit der Modelle zu verbessern, die zur Simulation von Flammen in Biokraftstoff-Verbrennungssystemen verwendet werden. Robustere Modelle können möglicherweise die Entdeckung neuer Möglichkeiten zum Betreiben von Flugzeugtriebwerken, Gasturbinen und anderen Energieerzeugungssystemen ermöglichen, damit sie effizienter sind und weniger Emissionen haben.

„Stellen Sie sich vor, Flugzeuge von Standardkraftstoff auf nachhaltigen Flugkraftstoff umzustellen“, sagte Robert Tranter, leitender Chemiker der Argonne und Autor der Studie. „Sie müssen die Auswirkungen dieses Schalters auf die Verbrennungseigenschaften im Motor verstehen, um sicherzustellen, dass er ordnungsgemäß funktioniert. Das physikalische Testen neuer Kraftstoffe in einem realen Motor ist sehr teuer. Genaue Verbrennungsmodelle können Kraftstoffe überprüfen, um festzustellen, wann es Zeit ist mach diese Tests.“

Im weiteren Sinne können die Röntgenmethoden das Verständnis grundlegender Aspekte der Verbrennung voranbringen und ein breites Spektrum von Forschungsbereichen unterstützen. Beispielsweise können sie Bemühungen zur Entwicklung von Systemen informieren, die Wasserstoff verbrennen, um Energie zu erzeugen. Sie können bei der Erforschung der Verwendung von Flammen zur Herstellung von Silizium-Nanopartikeln helfen, die potenzielle Anwendungen in der Medizin, Batterien und anderen Bereichen haben.

Die Technik lässt sich sogar über die Verbrennungsforschung hinaus anwenden. Es kann potenziell alle Laborexperimente unterstützen, die genaue Temperaturmessungen in feindlichen Umgebungen erfordern.

„Wir stoßen immer wieder auf unterschiedliche Systeme, bei denen Forscher genaue Temperaturmessungen benötigen“, sagte Tranter. „Wir sind offen für eine Zusammenarbeit mit ihnen.“

Neben Kastengren und Tranter sind die Autoren Matthew J. Montgomery, Yale; Hyunguk Kwon, Penn State; Lisa D. Pfefferle, Yale; Travis Sikes, Argonne; Yuan Xuan, Penn State und Charles S. McEnally, Yale.