Pesquisadores desenvolveram um instrumento analítico que usa um laser ultrarrápido para medições precisas de temperatura e concentração de hidrogênio. Sua nova abordagem pode ajudar a avançar no estudo de combustíveis mais ecológicos à base de hidrogênio para uso em naves espaciais e aviões.
"Este instrumento fornecerá recursos poderosos para investigar processos dinâmicos como difusão, mistura, transferência de energia e reações químicas", disse o líder da equipe de pesquisa Alexis Bohlin, da Luleå University of Technology, na Suécia. "Entender esses processos é fundamental para desenvolver motores de propulsão mais ecológicos."

Em Optics Express , Bohlin e colegas da Delft University of Technology e da Vrije Universiteit Amsterdam, ambas na Holanda, descrevem seu novo instrumento coerente de espectroscopia Raman para estudar o hidrogênio. Isso foi possível devido a uma configuração que converte a luz de banda larga de um laser com pulsos curtos (femtossegundos) em pulsos supercontínuos extremamente curtos, que contêm uma ampla faixa de comprimentos de onda.

Os pesquisadores demonstraram que essa geração de supercontínuo pode ser realizada por trás do mesmo tipo de janela óptica espessa encontrada em câmaras de alta pressão usadas para estudar um motor à base de hidrogênio. Isso é importante porque outros métodos para gerar excitação de banda ultralarga não funcionam quando esses tipos de janelas ópticas estão presentes.

“O combustível rico em hidrogênio, quando produzido a partir de recursos renováveis, pode ter um enorme impacto na redução de emissões e contribuir significativamente para aliviar as mudanças climáticas antropogênicas”, disse Bohlin. "Nosso novo método pode ser usado para estudar esses combustíveis em condições que se assemelham às dos motores de foguetes e aeroespaciais."

Entrada de luz

Há muito interesse em desenvolver motores aeroespaciais que funcionem com combustíveis renováveis ​​ricos em hidrogênio. Além de seu apelo de sustentabilidade, esses combustíveis têm um dos mais altos impulsos específicos alcançáveis ​​- uma medida de quão eficientemente a reação química em um motor cria impulso. No entanto, tem sido muito desafiador tornar os sistemas de propulsão química baseados em hidrogênio confiáveis. Isso ocorre porque o aumento da reatividade dos combustíveis ricos em hidrogênio altera substancialmente as propriedades de combustão da mistura de combustível, o que aumenta a temperatura da chama e diminui os tempos de retardo de ignição. Além disso, a combustão em motores de foguete é geralmente muito difícil de controlar por causa das pressões extremamente altas e altas temperaturas encontradas ao viajar para o espaço.

"O avanço da tecnologia para lançamento sustentável e sistemas de propulsão aeroespacial depende de uma interação coerente entre experimentos e modelagem", disse Bohlin. "No entanto, ainda existem vários desafios em termos de produção de dados quantitativos confiáveis ​​para validar os modelos."

Um dos obstáculos é que os experimentos geralmente são executados em um espaço fechado com transmissão limitada de sinais ópticos de entrada e saída através de janelas ópticas. Essa janela pode fazer com que os pulsos supercontínuos necessários para a espectroscopia Raman coerente se estiquem à medida que atravessam o vidro. Para superar esse problema, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de transmitir laser pulsado de femtossegundos através de uma janela óptica grossa e, em seguida, usaram um processo chamado filamento induzido por laser para transformá-lo em pulsos supercontínuos que permanecem coerentes do outro lado.

Estudando uma chama de hidrogênio

Para demonstrar o novo instrumento, os pesquisadores montaram um feixe de laser de femtosegundo com as propriedades ideais para geração de supercontínuo. Eles então o usaram para realizar espectroscopia Raman coerente excitando moléculas de hidrogênio e medindo suas transições rotacionais. Eles foram capazes de demonstrar medições robustas de gás hidrogênio em uma ampla faixa de temperaturas e concentrações e também analisaram uma chama de difusão de hidrogênio/ar semelhante ao que seria visto quando um combustível rico em hidrogênio é queimado.

Os pesquisadores agora estão usando seu instrumento para realizar uma análise detalhada em uma chama turbulenta de hidrogênio na esperança de fazer novas descobertas sobre o processo de combustão. Com o objetivo de adotar o método para pesquisa e teste de motores de foguete, os cientistas estão explorando as limitações da técnica e gostariam de testá-la com chamas de hidrogênio em uma carcaça fechada levemente pressurizada. + Explorar mais

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