En ny röntgenteknik för att mäta temperaturer i förbränningslågor kan leda till renare biobränslen.

Att förstå dynamiken i förbränning av biobränslen – bränslen gjorda av växter, alger eller animaliskt avfall – är avgörande för att bygga rena, effektiva biobränsledrivna motorer. En viktig drivkraft för denna dynamik är temperaturen.

Forskare från U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory, Yale University och Penn State University har förfinat och använt en röntgenteknik för att mäta temperaturer i en extremt varm, sotladdad låga som produceras av förbränning. Sådana mätningar har historiskt sett varit utmanande. Den nya tekniken kan potentiellt bidra till att minska utsläppen från biobränsledrivna motorer. Studien publicerades i Science Advances .

Ett behov av att optimera biobränslen

Att minska utsläppen av växthusgaser och andra föroreningar på grund av förbränning av fossila bränslen kommer att kräva stora förändringar i energisystemen. U.S. Energy Information Administration rapporterar att det finns långt över en miljard fossildrivna fordon världen över, vilket räknar med att den konventionella fordonsflottan kommer att nå sin topp 2038.

Avancerade, renare brinnande biobränslen kan potentiellt bidra till att minska föroreningar under tiden. Detta gäller särskilt för flygplan, fartyg och andra tunga fordon som fortfarande är svåra att elektrifiera med nuvarande teknik.

Men att utveckla nya förbränningssystem för avancerade biobränslen är ingen lätt uppgift. En viktig barriär har varit att noggrant mäta temperaturer i lågor som produceras av biobränsleförbränning. Temperaturer är kritiska indata i de modeller som forskare använder för att simulera förbränningsflammor och deras utsläpp.

"Temperaturen har ett stort inflytande på kemiska reaktionshastigheter i lågor", säger Alan Kastengren, en Argonne-fysiker som var en av författarna till studien. "Om modellerna inte har exakta temperaturer förutsäger de förmodligen inte kemin korrekt. Bättre förbränningsmodeller gör det möjligt för forskare att designa bättre förbränningssystem – oavsett om det är förbränningsmotorer eller elproduktionssystem."

Mäta temperaturer med röntgenstrålar och kryptonatomer

Att mäta lågtemperatur är förvånansvärt svårt. Forskare har tidigare använt lasrar och andra apparater för att utvärdera lågor. De sotpartiklar som finns i lågor kan dock störa deras förmåga att mäta temperatur.

Röntgenstrålar är i stort sett opåverkade av sotpartiklar, så en annan möjlighet är att använda röntgenstrålar för flamanalys. Forskarna i Argonne, Yale och Penn State använde och förfinade en teknik som kallas röntgenfluorescens. Tekniken innebar flera steg. Först introducerade de en liten mängd av gasen krypton i en låga bestående av luft och metan (en primär komponent i naturgas). Detta är en standardlåga som används av laboratorier över hela världen inom förbränningsforskning. Krypton är ett grundämne med extremt låg reaktivitet, så det förändrar inte flammans kemi.

Därefter, vid Argonne's Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science-användaranläggning, bombarderade forskarna lågan med högenergiröntgenstrålar. Som svar avgav kryptonatomerna röntgenstrålar med en unik mängd energi i en process som kallas fluorescens. Teamet använde sedan en röntgenspektrometer för att detektera energin från den emitterade röntgenfluorescensen. Detta gjorde det möjligt för forskarna att kartlägga förekomsten av kryptonatomer och kvantifiera deras densitet genom hela lågan. Sedan beräknade teamet temperaturer i olika delar av lågan, med hjälp av en ekvation som kallas den ideala gaslagen som relaterar temperatur och densitet.

En nyckel till experimentets framgång var att använda ultraljusa röntgenstrålar vid APS. Röntgenstrålar som genereras av anläggningar som APS har en mycket högre intensitet och mycket mer fokuserade strålar än de som skapas i laboratorier.

"En röntgenkälla i labbskala är ungefär som en glödlampa. Röntgenstrålarna går ut i alla riktningar", sa Kastengren. "Med synkrotroner går alla röntgenstrålarna i samma riktning. Det gör det mycket lättare för oss att använda strålen effektivt för att mäta interaktionerna med lågan."

Många sätt att tillämpa tekniken

Medan forskarna förfinade röntgentekniken med hjälp av en metanflamma, kan metoderna användas för att mäta temperaturer i andra lågor, inklusive de som produceras av biobränsleförbränning. Det kan bidra till att förbättra noggrannheten hos modellerna som används för att simulera flammor i biobränsleförbränningssystem. Mer robusta modeller kan potentiellt möjliggöra upptäckter av nya sätt att driva flygplansmotorer, gasturbiner och andra energigenererande system så att de blir mer effektiva och har lägre utsläpp.

"Föreställ dig att byta flygplan från standardbränsle till hållbart flygbränsle", säger Robert Tranter, seniorkemist i Argonne och författare till studien. "Du måste förstå effekten av den omkopplaren på förbränningsegenskaperna i motorn för att säkerställa att den fungerar korrekt. Fysisk testning av nya bränslen i en verklig motor är mycket dyrt. Noggranna förbränningsmodeller kan screena bränslen för att hjälpa till att avgöra när de ska gör de testerna."

Mer allmänt kan röntgenmetoderna främja förståelsen av grundläggande aspekter av förbränning och stödja ett brett spektrum av forskningsområden. De kan till exempel informera ansträngningar att utveckla system som förbränner väte för att producera energi. De kan hjälpa till med forskning om användningen av lågor för att skapa kiselnanopartiklar, som har potentiella tillämpningar inom medicin, batterier och andra områden.

Tekniken kan till och med tillämpas bortom förbränningsforskning. Det kan potentiellt stödja alla laboratorieexperiment som kräver noggranna temperaturmätningar i fientliga miljöer.

"Vi stöter alltid på olika system där forskare behöver exakta temperaturmätningar", säger Tranter. "Vi är öppna för samarbete med dem."

Förutom Kastengren och Tranter är författarna Matthew J. Montgomery, Yale; Hyunguk Kwon, Penn State; Lisa D. Pfefferle, Yale; Travis Sikes, Argonne; Yuan Xuan, Penn State och Charles S. McEnally, Yale. + Utforska vidare

Sätta gas under tryck