Flüssigbrennstoffe mit hoher Energiedichte sind für viele Anwendungen unerlässlich, bei denen chemische Energie in kontrollierte Bewegung umgewandelt wird, wie beispielsweise in Raketen, Gasturbinen, Boilern und bestimmten Fahrzeugmotoren. Neben ihren Verbrennungseigenschaften und ihrer Leistungsfähigkeit ist es auch wichtig, die Sicherheit und Stabilität dieser Brennstoffe während des Gebrauchs sowie während des Transports und der Lagerung zu gewährleisten.
Eine häufige Gefahr beim Umgang mit flüssigen Brennstoffen besteht darin, dass sie schnell verdampfen können, wenn genügend Platz vorhanden ist, wodurch Wolken aus leicht entzündlichen Gasen entstehen. Wie zu erwarten ist, kann dies zu katastrophalen Explosionen oder Brandunfällen führen. Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher die Verwendung von gelierten Kraftstoffen oder Kraftstoffen in Betracht gezogen, die durch kalte Temperaturen in dicke gelartige Substanzen umgewandelt werden. Allerdings sind noch viele Aspekte zu optimieren und Hürden zu überwinden, bevor gelierte Kraftstoffe über die Forschungsphase hinausgehen können.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Naoki Hosoya vom Shibaura Institute of Technology (SIT) und Prof. Shingo Maeda vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, hat kürzlich eine überzeugendere Lösung für das Sicherheitsproblem flüssiger Kraftstoffe untersucht, nämlich sie in polymeren Gelnetzwerken zu speichern. In ihrer Studie analysierte das Team die Leistung, Vorteile und Grenzen der Lagerung von Ethanol, einem gängigen flüssigen Kraftstoff, in einem chemisch vernetzten Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPPAm)-Gel. Diese Abhandlung ist erschienen im Zeitschrift für Verfahrenstechnik.
Zunächst überprüften sie, ob das Einfangen von Ethanolmolekülen in den langen und chemisch miteinander verflochtenen PNIPAAm-Polymerketten dazu beitrug, die Verdunstungsrate zu verringern. Um dies zu testen, stellten die Forscher kleine Kugeln aus PNIPAAm-Gel her, die mit Ethanol beladen waren, und platzierten sie auf einer elektronischen Waage, um aufzuzeichnen, wie sich die Masse beim Verdampfen von Ethanol veränderte. Sie führten dieses Experiment auch mit einer äquivalenten Äthanolpfütze mit ungefähr der gleichen Oberfläche und Masse wie die Gelkugel durch.
Sie fanden heraus, dass die Lagerung von Ethanol im Polymergel die Tendenz des Kraftstoffs, schnell zu verdampfen, vollständig unterdrückte. Dies liegt wahrscheinlich daran, wie Ethanolmoleküle im Gel „gefangen“ sind, wie Prof. Hosoya erklärt, dass „das Polymergel unzählige dreidimensionale Polymerketten enthält, die auf starke Weise chemisch vernetzt sind. Diese Ketten binden die Ethanolmoleküle durch verschiedene physikalische Wechselwirkungen, wodurch die Verdunstung begrenzt wird.“ Interessanterweise verhält sich das geladene Gel nicht wie ein nasses Handtuch. Während ein nasses Handtuch seine Flüssigkeit freisetzen würde, wenn es ausgewrungen würde, gab das polymere Gel Ethanol nicht leicht unter äußeren Kräften ab.
Nachdem das Problem der Verdunstung gelöst war, untersuchte das Team die tatsächlichen Verbrennungseigenschaften des Ethanols im polymeren Gelnetzwerk, um zu sehen, ob es effizient verbrennt. Sie entzündeten mit Ethanol beladene Gelkugeln unterschiedlicher Größe und beobachteten die Änderungen ihrer Massen- und Formprofile in Echtzeit. Auf dieser Grundlage stellten sie fest, dass die Verbrennung der beladenen PNIPAAm-Gelkugeln aus zwei Phasen bestand: einer Phase, die von der Verbrennung von reinem Ethanol dominiert wurde, gefolgt von einer zweiten Phase, die von der Verbrennung des PNIPAAm-Polymers selbst dominiert wurde.
Durch eine anschließende theoretische Analyse dieser Ergebnisse kam das Team zu einer wichtigen Schlussfolgerung: Die erste und Hauptverbrennungsphase der beladenen PNIPAAm-Gelkugeln folgt einem konstanten Tröpfchentemperaturmodell, das auch als „d2-Gesetz“ bekannt ist. Das bedeutet, dass die Verbrennung des mit Ethanol beladenen Gels durch das gleiche Modell beschrieben werden kann, das für flüssige Kraftstofftröpfchen verwendet wird, was darauf hindeutet, dass ihre Verbrennungsleistungen ähnlich sein sollten.
Insgesamt ist diese Studie ein Sprungbrett für neue Wege zum sicheren Transport und zur Lagerung flüssiger Kraftstoffe in Polymergelen, die viele Leben retten könnten. „Polymergelspeicher könnten Explosionen und Brandunfälle verhindern, indem sie die Verdunstung von Brennstoffen und damit die Bildung brennbarer Gasgemische drastisch reduzieren, was nach einem Leck in einem Lager leicht passieren kann“, erklärt Prof. Hosoya. „An dieser Front muss noch viel Arbeit geleistet werden, z. B. die Überprüfung der Stabilität und Leistung von Polymergelen bei unterschiedlichen Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsbedingungen sowie die Entwicklung einfacherer Herstellungsverfahren und besserer Möglichkeiten zur Verwendung dieser mit Kraftstoff beladenen Gele echte Motoren.“
Naoki Hosoya et al, Chemisch vernetzter Gelspeicher für Kraftstoff zur Realisierung einer Verdunstungsunterdrückung, Zeitschrift für Verfahrenstechnik (2022). DOI: 10.1016/j.cej.2022.136506
Bereitgestellt vom Shibaura Institute of Technology