Nordiska länder som Sverige är starkt beroende av biobränslen för att driva sina hem och företag. Dock, i processen att bränna biomassa som trä eller halm, gaser frigörs som kan förorena luften, skada miljön, och skada folkhälsan.

För att mildra dessa negativa effekter, Frederik Ossler, docent vid Lunds universitet, Sverige, och Charles Finney från Department of Energy's (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) studerar metoder för renare energiomvandling av biomassa. Genom att använda neutronspridning vid ORNL, Ossler och Finney undersöker hur biomassor bryts ned när de utsätts för extrema temperaturer. Insikter från deras experiment skulle också kunna peka på möjliga tillämpningar för biprodukter från bioenergiproduktion.

"Ett mål på kort sikt med detta är att ge insikt i hur biomassa pyrolyserar - det vill säga, hur de bryts ned i termiska miljöer – för att förbättra de modeller som forskare använder för dessa processer, sa Finney, en forskare i ORNL:s Fuels and Engines Research Group inom Energy and Transportation Science Division.

Neutroner är väl lämpade för dessa typer av experiment eftersom de är oförstörande, kan penetrera material djupare än röntgenstrålar, och är mycket känsliga för lätta element som väte.

Ossler och Finney observerade biomassaprover av trä, sugrör, och kork när de exponerades under vakuum för temperaturer så höga som 1, 000°C (1, 832°F). De använde CG-1D IMAGING-strållinjen vid ORNL:s högflödesisotopreaktor (HFIR). Genom att analysera vätegaser och andra gaser som släpps ut, forskarna kan förstå hur biomassans strukturer förändras när de bryts ned.

När biomassan bryts ned, det släpper också ut instängt vatten, gaser, och kolväten. Dessa pyrolysprodukter kan fångas upp och användas för att producera biobränslen, som kan användas för transport eller elproduktion.

"I grund och botten, huvudidén är att göra alla produkter från pyrolys till hjälp, sa Ossler.

Efter att biomassan har pyrolyserats, det lämnar efter sig ett biproduktmaterial som kallas biokol, som påminner om träkol och kan användas för att förbättra jordkvaliteten för jordbruk och trädgårdsskötsel. Genom att använda neutronspridning, Ossler och Finney kan spåra hur biomassan förändras internt när den pyrolyserar och blir till biokol.

"Tanken är att man skulle utvinna bränsle från biomassan, och den återstående rödingen har högt värde som jordtillägg. Det har faktiskt positiva fördelar för jorden genom att behålla näringsämnen och fukt, sa Finney.

Det är inte första gången Ossler har besökt ORNL för att forska med neutroner.

"Jag kommer från en bakgrund av laser, röntgen, och synkrotroner, men neutroner är exceptionella, Ossler sa. "Jag skulle säga att det är en unik teknik att sondera inuti material och komplexa system där du i princip inte har tillgång på andra sätt."

Detta projekt utvidgar tidigare forskning och är en del av en pågående flerårig studie som använder neutronspridningstekniker för att utforska biomassans inre struktur medan den värms upp. Denna forskning gynnar också DOE Bioenergy Technologies Office-forskningsprogram som tar itu med den komplexa utmaningen med datormodellering av pyrolys för ett brett spektrum av biomassor.

Ytterligare teammedlemmar inkluderar Hassina Bilheux, Jean-Christophe Bilheux, Rebecca Mills, och Harley Skorpenske från ORNL:s Neutron Scattering Division, Jeffrey Warren från ORNL:s miljövetenskapsavdelning, och Louis Santodonato från Advanced Research Systems, Inc. Ossler stöds av Energimyndigheten genom projektet GRECOP.