Densités mesurées et simulées du nombre de krypton dans une flamme méthane/air encrassée. (A) Une photographie de la flamme dimensionnée à la même échelle spatiale que (B). (B) Parcelles d'image des densités expérimentales (à gauche) et simulées (à droite) du nombre de krypton dans toute la flamme. (C) Profils radiaux de la densité du nombre de krypton à plusieurs hauteurs au-dessus du brûleur (HAB). Les barres d'erreur pour les mesures sont représentées par des régions grisées. Temps total de collecte des données 2D :2 heures. Crédit :Matthew J. Montgomery et al, Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm7947
Une nouvelle technique à rayons X pour mesurer les températures dans les flammes de combustion pourrait conduire à des biocarburants plus propres.
Comprendre la dynamique de la combustion des biocarburants – carburants fabriqués à partir de plantes, d'algues ou de déchets animaux – est essentiel pour construire des moteurs à biocarburants propres et efficaces. La température est un facteur important de cette dynamique.
Des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE), de l'Université de Yale et de l'Université d'État de Penn ont affiné et utilisé une technique de rayons X pour mesurer les températures dans une flamme extrêmement chaude et chargée de suie produite par la combustion. De telles mesures ont toujours été difficiles. La nouvelle technique peut potentiellement contribuer à réduire les émissions des moteurs alimentés au biocarburant. L'étude a été publiée dans Science Advances .
Un besoin d'optimiser les biocarburants
La réduction des émissions de gaz à effet de serre et d'autres polluants dus à la combustion de combustibles fossiles nécessitera des changements majeurs dans les systèmes énergétiques. L'Energy Information Administration des États-Unis rapporte qu'il existe plus d'un milliard de véhicules à énergie fossile dans le monde, ce qui prévoit que le parc de véhicules conventionnels atteindra son maximum en 2038.
Les biocarburants avancés à combustion plus propre peuvent potentiellement aider à réduire les polluants dans l'intervalle. Cela est particulièrement vrai pour les avions, navires et autres véhicules lourds qui restent difficiles à électrifier avec les technologies actuelles.
Mais développer de nouveaux systèmes de combustion pour les biocarburants avancés n'est pas une tâche facile. Un obstacle majeur a été la mesure précise des températures dans les flammes produites par la combustion de biocarburants. Les températures sont des données essentielles dans les modèles que les chercheurs utilisent pour simuler les flammes de combustion et leurs émissions.
"La température a une grande influence sur les taux de réaction chimique dans les flammes", a déclaré Alan Kastengren, un physicien d'Argonne qui était l'un des auteurs de l'étude. "Si les modèles n'ont pas de températures précises, ils ne prédisent probablement pas correctement la chimie. De meilleurs modèles de combustion permettent aux chercheurs de concevoir de meilleurs systèmes de combustion, qu'il s'agisse de moteurs à combustion interne ou de systèmes de production d'électricité."
Mesurer des températures avec des rayons X et des atomes de krypton
La mesure des températures de flamme est étonnamment difficile. Les chercheurs ont déjà utilisé des lasers et d'autres appareils pour évaluer les flammes. Cependant, les particules de suie présentes dans les flammes peuvent interférer avec leur capacité à mesurer la température.
Les rayons X ne sont en grande partie pas affectés par les particules de suie, une autre possibilité consiste donc à utiliser des faisceaux de rayons X pour l'analyse de la flamme. Les chercheurs d'Argonne, de Yale et de Penn State ont utilisé et affiné une technique connue sous le nom de fluorescence X. La technique comportait plusieurs étapes. Tout d'abord, ils ont introduit une petite quantité de krypton gazeux dans une flamme composée d'air et de méthane (un composant principal du gaz naturel). Il s'agit d'une flamme standard utilisée par les laboratoires du monde entier dans la recherche sur la combustion. Le krypton est un élément avec une réactivité extrêmement faible, il ne modifie donc pas la chimie de la flamme.
Ensuite, à l'Advanced Photon Source (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, les chercheurs ont bombardé la flamme avec des faisceaux de rayons X à haute énergie. En réponse, les atomes de krypton ont émis des rayons X avec une quantité d'énergie unique dans un processus appelé fluorescence. L'équipe a ensuite utilisé un spectromètre à rayons X pour détecter l'énergie de la fluorescence X émise. Cela a permis aux chercheurs de cartographier la présence d'atomes de krypton et de quantifier leur densité dans toute la flamme. Ensuite, l'équipe a calculé les températures dans différentes parties de la flamme, en utilisant une équation connue sous le nom de loi des gaz parfaits qui relie la température et la densité.
L'une des clés du succès de l'expérience a été l'utilisation des faisceaux de rayons X ultra-brillants de l'APS. Les faisceaux de rayons X générés par des installations telles que l'APS ont une intensité beaucoup plus grande et des faisceaux beaucoup plus focalisés que ceux créés dans les laboratoires.
"Une source de rayons X à l'échelle d'un laboratoire est un peu comme une ampoule. Les faisceaux de rayons X sortent dans toutes les directions", a déclaré Kastengren. "Avec les synchrotrons, les faisceaux de rayons X vont tous dans la même direction. Il nous est donc beaucoup plus facile d'utiliser efficacement le faisceau pour mesurer les interactions avec la flamme."
De nombreuses façons d'appliquer la technique
Alors que les chercheurs ont affiné la technique des rayons X en utilisant une flamme de méthane, les méthodes peuvent être appliquées pour mesurer les températures dans d'autres flammes, y compris celles produites par la combustion de biocarburants. Cela peut aider à améliorer la précision des modèles utilisés pour simuler les flammes dans les systèmes de combustion de biocarburants. Des modèles plus robustes peuvent potentiellement permettre de découvrir de nouvelles façons de faire fonctionner les moteurs d'avion, les turbines à gaz et d'autres systèmes de production d'énergie afin qu'ils soient plus efficaces et produisent moins d'émissions.
"Imaginez que les avions passent du carburant standard au carburant d'aviation durable", a déclaré Robert Tranter, chimiste principal à Argonne et auteur de l'étude. "Vous devez comprendre l'impact de cet interrupteur sur les propriétés de combustion du moteur pour vous assurer qu'il fonctionne correctement. Les tests physiques de nouveaux carburants dans un moteur réel sont très coûteux. Des modèles de combustion précis peuvent filtrer les carburants pour aider à déterminer quand faire ces tests."
Plus largement, les méthodes par rayons X peuvent faire progresser la compréhension des aspects fondamentaux de la combustion, soutenant un large éventail de domaines de recherche. Par exemple, ils peuvent éclairer les efforts de développement de systèmes qui brûlent de l'hydrogène pour produire de l'énergie. Ils peuvent contribuer à la recherche sur l'utilisation des flammes pour créer des nanoparticules de silicium, qui ont des applications potentielles en médecine, dans les batteries et dans d'autres domaines.
La technique peut même être appliquée au-delà de la recherche sur la combustion. Il peut potentiellement prendre en charge toutes les expériences de laboratoire nécessitant des mesures de température précises dans des environnements hostiles.
"Nous rencontrons toujours différents systèmes où les chercheurs ont besoin de mesures de température précises", a déclaré Tranter. "Nous sommes ouverts à une collaboration avec eux."
En plus de Kastengren et Tranter, les auteurs sont Matthew J. Montgomery, Yale; Hyunguk Kwon, État de Penn; Lisa D. Pfefferle, Yale; Travis Sikes, Argonne; Yuan Xuan, Penn State et Charles S. McEnally, Yale. Mettre le gaz sous pression
