Pesquisadores da Universidade de Stanford desenvolveram um novo método para medir o radical hidroxila (OH), uma molécula crítica nas reações de combustão, com sensibilidade recorde. Este método usa a modulação de frequência da luz ultravioleta para eliminar o ruído que impedia os métodos convencionais de detectar com precisão traços de OH em ambientes de combustão e abre um caminho para novos regimes de pesquisa de combustão que anteriormente não eram acessíveis. Aqui, Shengkai Wang está alinhando o feixe de laser UV através do reator de combustão. Crédito:Optical Society of America
Um método de análise desenvolvido recentemente pode detectar radicais hidroxila (OH) com sensibilidade sem precedentes. Porque OH é um componente crítico nos processos de combustão que impulsionam a maioria dos veículos, a nova abordagem poderia promover o desenvolvimento de novos tipos de motores e combustíveis que seriam mais eficientes e ecologicamente corretos.
"Nos E.U.A., a combustão produz 60 por cento de nossa eletricidade e abastece 90 por cento do transporte terrestre e quase toda a aviação, "disse o pesquisador principal, Shengkai Wang, um pesquisador de pós-doutorado em engenharia mecânica na Universidade de Stanford. "A capacidade de examinar os processos de combustão e entendê-los em um nível mais fundamental ajudaria no desenvolvimento de estratégias de combustão de próxima geração que podem aumentar a eficiência e reduzir a poluição, " ele disse.
No jornal The Optical Society (OSA) Cartas de Óptica , Wang e Ronald K. Hanson, professor de engenharia mecânica em Stanford, relatam uma abordagem baseada em espectroscopia que detectou níveis de radicais OH pelo menos quatro vezes mais baixos do que o melhor método anterior usado para analisar OH. Entre centenas de entidades moleculares envolvidas em reações de combustão, OH é o mais importante porque determina se e com que rapidez o combustível queimará.
"OH é extremamente difícil de medir, especialmente nos ambientes dinâmicos e ruidosos de combustão de combustível, porque é altamente reativo e está presente em concentrações muito baixas, "disse Wang." Nossa abordagem abre caminho para a detecção prática de OH na faixa de partes por bilhão. "
A nova abordagem também pode ser útil para aplicações como o estudo da química atmosférica, onde OH é um jogador chave na formação e destruição do ozônio, Disse Wang.
Avanço da tecnologia de combustível e motor
Um gargalo para a comercialização de novos tipos de motores ou combustíveis otimizados é que sua química de combustão não é totalmente compreendida devido à falta de métodos de análise sensíveis. Para resolver este problema, Wang e seu colega desenvolveram uma técnica conhecida como espectroscopia de modulação de frequência usando luz ultravioleta (UV).
A espectroscopia funciona projetando um feixe de laser através do gás de teste, onde as moléculas irão absorver parcialmente a luz. Analisar a luz que sai da amostra de gás pode determinar exatamente quais moléculas, e suas quantidades, estavam presentes. Contudo, medição espectroscópica de OH não é uma tarefa trivial. As quantidades extremamente baixas de OH presentes nas reações de combustão, combinado com altas temperaturas de reação e várias fontes de ruído, como vibrações mecânicas e turbulência de gás, tornam a detecção prática de OH muito difícil.
Em vez de usar um comprimento de onda de laser, espectroscopia de modulação de frequência examina as diferenças na absorção de luz entre vários comprimentos de onda, permitindo que qualquer ruído comum entre as leituras seja subtraído. O método também muda o sinal proveniente da absorção de OH para uma frequência mais alta, eliminando assim qualquer desvio de baixa frequência que desafie a medição de OH.
"A ideia geral de espectroscopia de modulação de frequência existe há um tempo, mas somos os primeiros a demonstrar sua aplicabilidade para detectar OH nesta faixa de comprimento de onda particular, "disse Wang." Uma razão pela qual isso não foi feito antes é que a fonte de laser UV de alta qualidade necessária para medir a absorção de OH tornou-se disponível muito recentemente. "
Os pesquisadores testaram sua nova abordagem estudando a reação de combustão de um combustível representativo, iso-octano, em um reator controlado. Eles foram capazes de atingir uma absorbância mínima detectável de 3,0 X 10 -4 a uma temperatura de 1330 K. Isso é equivalente a detectar 85 partes por bilhão de OH em 15 cm de comprimento óptico e é quatro vezes melhor do que o melhor registro relatado anteriormente.
Como uma próxima etapa, os pesquisadores planejam incorporar melhores componentes ópticos, que eles dizem que pode melhorar a sensibilidade em outra ordem de magnitude. Eles também querem tornar o equipamento mais portátil para que possa ser transportado em um carrinho para várias instalações de teste especializadas. Um sistema portátil também permitiria que eles usassem a abordagem para fazer medições em condições práticas do motor e, eventualmente, adaptar o método para fazer medições em motores e combustores realistas.
