Pomiar ilości cząsteczek kluczowych w procesie spalania

Foto: freeimages.com

Badacze z amerykańskiego Sandia National Laboratories jako pierwsi zmierzyli bezpośrednio ilość rodników hydroperoksyalkilowych (QOOH), które są kluczowym składnikiem w łańcuchu reakcji kontrolujących wczesne etapy spalania. Możliwość precyzyjnego określania ilości QOOH powstających podczas spalania pozwoli na projektowanie wydajniejszych silników spalinowych.

W procesie spalania można określić tysiące reakcji chemicznych, poprzez które zachodzi w silniku spalinowym zamiana energii chemicznej w mechaniczną. Wiele z tych reakcji i procesów dosyć dobrze poznano, jednak nadal nie wiemy jak dokładnie wygląda etap zapłonu mieszanki paliwowej.

Na całym świecie od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania nad mechanizmem zapłonu, które pokazały, że w centralnym miejscu tego procesu są umiejscowione cząsteczki QOOH. 10 lat termu w laboratorium Sandia opracowano spektrometr mas z multipleksową fotojonizacją (MPIMS) służący do analizy produktów pośrednich spalania. W 2012 r. MPIMS posłużył do bezpośredniego pomiaru ilości tzw. cząsteczki pośredniej Criegee, uczestniczącej w ważnej tzw. reakcji sieciowej odbywającej się w atmosferze ziemskiej.

Przedmiotem kolejnych badań stały się cząsteczki QOOH. W pierwszej kolejności konieczne było opracowanie strategii wytwarzania wystarczających ilości rodników QOOH, aby przekroczyć próg wykrywalności i określenie ich widma spektralnego, aby być pewnym wyników. Jednym z elementów tej strategii było wybranie odpowiedniego paliwa, którym okazał się cykloheptadien. Przed badaniami eksperymentalnymi wykonano szereg obliczeń kwantowych, które pozwoliły przewidzieć co mniej więcej powinni zobaczyć eksperymentatorzy.

Aby wykonać badania przeniesiono urządzenie MPIMS do budynku w którym znajduje się synchrotron, który pozwala na otrzymanie silnego, ściśle regulowanego światła. Dzięki temu światłu otrzymano widma cząsteczek QOOH pozwalające na określenie charakterystycznych ugrupowań atomowych koniecznych w analizach produktów spalania. Co ważne otrzymane widma były zgodne z przewidywaniami teoretycznymi. Okazało się, że jedna z cząsteczek QOOH, którą zbadali naukowcy reaguje o wiele wolniej z tlenem niż wcześniej przewidywano. Ta wiedza ma duże znaczenie zarówno dla procesów spalania jak i procesów zachodzących w atmosferze. Naukowcy przyznają jednak, że to dopiero początek drogi ku poznaniu tych procesów.

(pj)