Os pesquisadores do Sandia National Laboratories identificaram pela primeira vez mecanismos químicos importantes que aumentam o conhecimento fundamental da química da combustão e podem levar a uma combustão mais limpa nos motores.

O pesquisador da Sandia Nils Hansen e o ex-nomeado de pós-doutorado Kai Moshammer se concentraram na oxidação de hidrocarbonetos e outros combustíveis alternativos em baixa temperatura. Eles identificaram os principais intermediários químicos, que são relevantes para reações de oxidação em temperaturas na faixa de 400 a 600 K (260 a 620 graus Fahrenheit). A natureza química dos intermediários e suas concentrações fornecem novos detalhes sobre os processos químicos envolvidos na autoignição.

Autoignição é um processo químico no qual uma mistura de ar-combustível se inflama espontaneamente. É comumente explicado pela teoria por meio de um conjunto de reações de ramificação em cadeia auto-sustentáveis ​​e aceleradas. É o mais importante para compreender a detonação em motores de ignição por centelha.

Hansen e Moshammer estavam entre uma equipe de pesquisadores multi-instituições cujo trabalho foi publicado em um artigo intitulado, "Desvendando a estrutura e os mecanismos químicos de intermediários altamente oxigenados na oxidação de compostos orgânicos." Os pesquisadores se concentraram em aprofundar os conhecimentos sobre a química de oxidação em baixa temperatura de hidrocarbonetos e outros combustíveis alternativos.

"Podemos operar um motor de combustão interna hoje sem saber os detalhes da química, "Hansen disse." No entanto, este novo conhecimento fornece novos insights que devem ser direcionados por novos modelos de combustão. Eventualmente, deve permitir o desenvolvimento de estratégias de combustão mais limpas e eficientes no futuro. "

Hansen e Moshammer usaram espectrometria de massa de feixe molecular para descobrir os intermediários químicos. O feixe molecular congela a química e pode ser comparado à autobahn alemã.

"No feixe molecular, todas as moléculas são sugadas para o vácuo para voar na mesma direção e na mesma velocidade, então não há colisões como na autobahn, "disse ele." Quando isolamos as moléculas desta forma, permite-nos separá-los por seu peso e, portanto, por sua composição molecular. "

Extraindo informações detalhadas da natureza

Extrair informações moleculares detalhadas diretamente de misturas em ignição é uma tarefa difícil e desafiadora, especialmente por causa das grandes oscilações de temperatura e as baixas concentrações moleculares dos principais intermediários.

"Mesmo depois de algumas décadas de pesquisa sobre este assunto, essas moléculas altamente oxigenadas nunca tinham sido vistas antes, "Hansen explica.

Yiguang Ju, professor e diretor de Energia Sustentável da Universidade de Princeton, disse que este trabalho revela claramente a formação de intermediários oxigenados através dos múltiplos processos de adição de moléculas de oxigênio. "Os intermediários oxigenados são essenciais para afetar a ignição a baixa temperatura, chama fria, chama moderada e formação de batida em motores de combustão interna, "Ju disse.

Reator com agitação a jato projetado para conduzir pesquisas

Hansen enfatizou que essas descobertas foram feitas por experimentos que enfocam a química, minimizando os efeitos da mistura, turbulência e grandes gradientes de temperatura e concentração.

Para conduzir o trabalho, os pesquisadores da Sandia projetaram um dispositivo chamado reator agitado a jato, que é melhor descrito como um reator de quartzo no qual misturas de combustível-oxidante não queimadas são continuamente adicionadas através de quatro pequenos bocais para criar uma mistura homogênea que é então inflamada com calor externo. Com esta abordagem, os pesquisadores evitam grandes mudanças espaciais e temporais nas concentrações dos principais intermediários e temperaturas e o reator pode ser facilmente modelado. Os pesquisadores então usaram amostragem de feixe molecular e espectrometria de massa de alta resolução para identificar os componentes do gás do reator.

"Nosso interesse persistente em processos de oxidação de baixa temperatura levou a esta pesquisa, "Hansen disse." Embora os primeiros estudos se concentrassem em pequenos combustíveis, como o éter dimetílico (DME, CH3OCH3), eventualmente mudamos para maior, combustíveis mais relevantes na prática, como heptano, e 'acidentalmente' detectou um sinal que não era explicável pelos mecanismos químicos conhecidos. Queríamos fornecer alvos de validação para o desenvolvimento de modelos na forma de identificação e concentração molecular. "

Pesquisas anteriores identificaram reações e intermediários que ajudaram a prever as características de ignição de combustíveis individuais. O trabalho de Sandia mostrou que a compreensão da comunidade científica sobre esses processos não é completa e que reações adicionais e intermediários devem ser considerados. Este trabalho ajudará a desenvolver modelos com melhores capacidades preditivas, e tem implicações além da combustão.

"Esta é uma pesquisa fundamental de cinética química que também pode impactar a formação de aerossóis troposféricos relevantes para o clima, "Hansen disse.

Paul Wennberg, o professor R. Stanton Avery de Química Atmosférica e Ciências Ambientais e Engenharia da Caltech, disse que essa pesquisa também fornece uma grande quantidade de novos dados e percepções sobre os processos de oxidação envolvidos na oxidação de moléculas orgânicas na atmosfera. Por exemplo, o conhecimento de quantos oxigênios são adicionados após a formação do primeiro radical, como as estruturas dos substratos orgânicos alteram as vias, e se essa química pode competir com os processos bimoleculares é essencial para prever se essa química é importante em temperaturas muito mais frias relevantes para a atmosfera.

"O impacto final dessas descobertas na autoxidação em nossa compreensão da poluição do ar não é claro, "Wennberg disse." Sabemos que respirar partículas é uma ameaça à saúde pública, mas até que ponto as partículas criadas por meio da autoxidação são tóxicas e por quanto tempo esses compostos persistem na atmosfera simplesmente não se sabe até o momento. "

O uso da espectrometria de massa para detectar esses intermediários é apenas o primeiro passo desta pesquisa.

"No futuro, precisaremos desenvolver novas técnicas experimentais e capacidades que permitiriam uma atribuição inequívoca da estrutura molecular, "Hansen disse." Vamos testar técnicas de espectrometria de massa bidimensionais e espectroscopia de microondas como ferramentas analíticas para encontrar as estruturas químicas exatas. "