Uma nova técnica de raios X para medir temperaturas em chamas de combustão pode levar a biocombustíveis mais limpos.
Compreender a dinâmica da combustão de biocombustíveis – combustíveis feitos de plantas, algas ou dejetos animais – é essencial para construir motores movidos a biocombustíveis limpos e eficientes. Um importante condutor dessa dinâmica é a temperatura.

Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), da Universidade de Yale e da Universidade Penn State refinaram e usaram uma técnica de raios-X para medir temperaturas em uma chama extremamente quente e carregada de fuligem produzida pela combustão. Tais medições têm sido historicamente desafiadoras. A nova técnica pode potencialmente ajudar a reduzir as emissões de motores movidos a biocombustível. O estudo foi publicado na revista Science Advances .

A necessidade de otimizar os biocombustíveis

A redução das emissões de gases de efeito estufa e outros poluentes devido à queima de combustíveis fósseis exigirá grandes mudanças nos sistemas de energia. A Administração de Informações sobre Energia dos EUA relata que existem mais de um bilhão de veículos movidos a combustíveis fósseis em todo o mundo, projetando que a frota de veículos convencionais atingirá o pico em 2038.

Biocombustíveis avançados e de queima mais limpa podem potencialmente ajudar a reduzir os poluentes nesse meio tempo. Isso é particularmente verdadeiro para aviões, navios e outros veículos pesados ​​que continuam difíceis de eletrificar com as tecnologias atuais.

Mas desenvolver novos sistemas de combustão para biocombustíveis avançados não é tarefa fácil. Uma barreira importante tem sido a medição precisa das temperaturas em chamas produzidas pela combustão de biocombustíveis. As temperaturas são insumos críticos nos modelos que os pesquisadores usam para simular as chamas de combustão e suas emissões.

"A temperatura tem uma grande influência nas taxas de reação química em chamas", disse Alan Kastengren, físico de Argonne que foi um dos autores do estudo. "Se os modelos não têm temperaturas precisas, eles provavelmente não estão prevendo a química corretamente. Modelos de combustão melhores permitem que os pesquisadores projetem sistemas de combustão melhores - sejam motores de combustão interna ou sistemas de geração de eletricidade."

Medição de temperaturas com raios-X e átomos de criptônio

Medir a temperatura da chama é surpreendentemente difícil. Pesquisadores já usaram lasers e outros dispositivos para avaliar chamas. No entanto, as partículas de fuligem presentes nas chamas podem interferir na capacidade de medir a temperatura.

Os raios X não são afetados por partículas de fuligem, portanto, outra possibilidade é usar feixes de raios X para análise de chamas. Os pesquisadores de Argonne, Yale e Penn State usaram e refinaram uma técnica conhecida como fluorescência de raios-X. A técnica envolveu várias etapas. Primeiro, eles introduziram uma pequena quantidade do gás criptônio em uma chama composta de ar e metano (um componente primário do gás natural). Esta é uma chama padrão usada por laboratórios em todo o mundo na pesquisa de combustão. O criptônio é um elemento com reatividade extremamente baixa, portanto não altera a química da chama.

Em seguida, na Advanced Photon Source (APS) de Argonne, uma instalação de usuários do DOE Office of Science, os pesquisadores bombardearam a chama com feixes de raios-X de alta energia. Em resposta, os átomos de criptônio emitiram raios-X com uma quantidade única de energia em um processo chamado fluorescência. A equipe então usou um espectrômetro de raios-X para detectar a energia da fluorescência de raios-X emitida. Isso permitiu que os pesquisadores mapeassem a presença de átomos de criptônio e quantificassem sua densidade em toda a chama. Em seguida, a equipe calculou temperaturas em diferentes partes da chama, usando uma equação conhecida como lei do gás ideal que relaciona temperatura e densidade.

A chave para o sucesso do experimento foi usar os feixes de raios-X ultrabrilhantes no APS. Os feixes de raios X gerados por instalações como o APS têm uma intensidade muito maior e feixes muito mais focados do que aqueles criados em laboratórios.

"Uma fonte de raios-X em escala de laboratório é como uma lâmpada. Os feixes de raios-X vão em todas as direções", disse Kastengren. "Com os síncrotrons, os feixes de raios-X estão todos indo na mesma direção. Isso torna muito mais fácil para nós usar o feixe de forma eficaz para medir as interações com a chama."

Muitas maneiras de aplicar a técnica

Enquanto os pesquisadores refinaram a técnica de raios-X usando uma chama de metano, os métodos podem ser aplicados para medir temperaturas em outras chamas, incluindo aquelas produzidas pela combustão de biocombustível. Isso pode ajudar a melhorar a precisão dos modelos usados ​​para simular chamas em sistemas de combustão de biocombustíveis. Modelos mais robustos podem potencialmente permitir descobertas de novas maneiras de operar motores de avião, turbinas a gás e outros sistemas de geração de energia para que sejam mais eficientes e tenham menos emissões.

“Imagine trocar os aviões de combustível padrão por combustível de aviação sustentável”, disse Robert Tranter, químico sênior de Argonne e autor do estudo. "Você precisa entender o impacto desse interruptor nas propriedades de combustão do motor para garantir que ele funcione corretamente. O teste físico de novos combustíveis em um motor do mundo real é muito caro. Modelos de combustão precisos podem rastrear combustíveis para ajudar a determinar quando fazer esses testes."

Mais amplamente, os métodos de raios X podem avançar na compreensão de aspectos fundamentais da combustão, apoiando uma ampla gama de áreas de pesquisa. Por exemplo, eles podem informar os esforços para desenvolver sistemas que queimam hidrogênio para produzir energia. Eles podem ajudar na pesquisa sobre o uso de chamas para criar nanopartículas de silício, que têm aplicações potenciais em medicina, baterias e outros campos.

A técnica pode até ser aplicada além da pesquisa de combustão. Ele pode potencialmente suportar qualquer experimento de laboratório que exija medições precisas de temperatura em ambientes hostis.

"Sempre encontramos sistemas diferentes em que os pesquisadores precisam de medições precisas de temperatura", disse Tranter. "Estamos abertos à colaboração com eles."

Além de Kastengren e Tranter, os autores são Matthew J. Montgomery, Yale; Hyunguk Kwon, Penn State; Lisa D. Pfefferle, Yale; Travis Sikes, Argonne; Yuan Xuan, Penn State e Charles S. McEnally, Yale. + Explorar mais

Colocando gás sob pressão