Forskare har utvecklat ett analysinstrument som använder en ultrasnabb laser för exakta temperatur- och koncentrationsmätningar av väte. Deras nya tillvägagångssätt kan hjälpa till att främja studiet av grönare vätebaserade bränslen för användning i rymdfarkoster och flygplan.

"Detta instrument kommer att ge kraftfulla möjligheter att undersöka dynamiska processer som diffusion, blandning, energiöverföring och kemiska reaktioner", säger forskargruppsledare Alexis Bohlin från Luleå tekniska universitet i Sverige. "Att förstå dessa processer är grundläggande för att utveckla mer miljövänliga framdrivningsmotorer."

I Optics Express , Bohlin och kollegor från Delft University of Technology och Vrije Universiteit Amsterdam, båda i Nederländerna, beskriver deras nya koherenta Raman-spektroskopiinstrument för att studera väte. Det gjordes möjligt tack vare en uppsättning som omvandlar bredbandsljus från en laser med korta (femtosekund) pulser till extremt korta superkontinuumpulser, som innehåller ett brett spektrum av våglängder.

Forskarna visade att denna superkontinuumgenerering kunde utföras bakom samma typ av tjockt optiskt fönster som finns på högtryckskammare som används för att studera en vätebaserad motor. Detta är viktigt eftersom andra metoder för att generera ultrabredbandsexcitation inte fungerar när dessa typer av optiska fönster finns.

"Väterikt bränsle, när det tillverkas av förnybara resurser, kan ha en enorm inverkan på att minska utsläppen och ge ett betydande bidrag till att lindra antropogena klimatförändringar", säger Bohlin. "Vår nya metod skulle kunna användas för att studera dessa bränslen under förhållanden som nära liknar dem i raket- och rymdmotorer."

Få in ljus

Det finns ett stort intresse för att utveckla flygmotorer som körs på förnybara vätgasrika bränslen. Förutom att de är hållbara har dessa bränslen bland de högsta möjliga specifika impulserna – ett mått på hur effektivt den kemiska reaktionen i en motor skapar dragkraft. Det har dock varit mycket utmanande att göra vätebaserade kemiska framdrivningssystem tillförlitliga. Detta beror på att den ökade reaktiviteten hos vätgasrika bränslen väsentligt förändrar bränsleblandningens förbränningsegenskaper, vilket ökar flamtemperaturen och minskar antändningsfördröjningstiderna. Dessutom är förbränning i raketmotorer i allmänhet mycket utmanande att kontrollera på grund av de extremt höga trycken och de höga temperaturerna som uppstår när man reser till rymden.

"Utvecklingen av teknik för hållbara uppskjutnings- och rymdframdrivningssystem är beroende av ett sammanhängande samspel mellan experiment och modellering", säger Bohlin. "Men det finns fortfarande flera utmaningar när det gäller att ta fram tillförlitliga kvantitativa data för att validera modellerna."

Ett av hindren är att experimenten vanligtvis körs i ett slutet utrymme med begränsad överföring av optiska signaler in och ut genom optiska fönster. Detta fönster kan göra att superkontinuumpulserna som behövs för koherent Raman-spektroskopi sträcks ut när de går genom glaset. För att övervinna detta problem utvecklade forskarna ett sätt att överföra femtosekundspulsad laser genom ett tjockt optiskt fönster och använde sedan en process som kallas laserinducerad filamentering för att omvandla den till superkontinuumpulser som förblir koherenta på andra sidan.

Studerar en väteflamma

För att demonstrera det nya instrumentet satte forskarna upp en femtosekundlaserstråle med de idealiska egenskaperna för generering av superkontinuum. De använde den sedan för att utföra koherent Raman-spektroskopi genom att excitera vätemolekyler och mäta deras rotationsövergångar. De kunde demonstrera robusta mätningar av vätgas över ett brett område av temperaturer och koncentrationer och analyserade även en diffusionslåga för väte/luft som liknar vad som skulle ses när ett väterikt bränsle förbränns.

Forskarna använder nu sitt instrument för att utföra en detaljerad analys i en turbulent väteflamma i hopp om att göra nya upptäckter om förbränningsprocessen. Med ett mål att ta till sig metoden för forskning och testning av raketmotorer, undersöker forskarna teknikens begränsningar och vill testa den med väteflammor i ett slutet lätt trycksatt hölje. + Utforska vidare

Ny teknik för att mäta temperaturer i förbränningslågor kan leda till renare biobränslen