Des chercheurs de l'Université de Stanford ont développé une nouvelle méthode pour mesurer le radical hydroxyle (OH), une molécule critique dans les réactions de combustion, avec une sensibilité record. Cette méthode utilise la modulation de fréquence de la lumière ultraviolette pour éliminer le bruit qui empêchait les méthodes conventionnelles de détecter avec précision des traces d'OH dans les environnements de combustion et ouvre la voie à de nouveaux régimes de recherche sur la combustion qui n'étaient auparavant pas accessibles. Ici, Shengkai Wang aligne le faisceau laser UV à travers le réacteur de combustion. Crédit:Optical Society of America
Une nouvelle méthode d'analyse peut détecter les radicaux hydroxyles (OH) avec une sensibilité sans précédent. Parce que l'OH est un composant essentiel dans les processus de combustion qui alimentent la plupart des véhicules, la nouvelle approche pourrait faire avancer le développement de nouveaux types de moteurs et de carburants qui seraient plus efficaces et respectueux de l'environnement.
"Aux Etats-Unis., la combustion produit 60 pour cent de notre électricité et alimente 90 pour cent des transports terrestres et presque toute l'aviation, " a déclaré le chercheur principal, Shengkai Wang, chercheur postdoctoral en génie mécanique à l'Université de Stanford. « La capacité d'examiner les processus de combustion et de les comprendre à un niveau plus fondamental aiderait au développement de stratégies de combustion de nouvelle génération qui peuvent augmenter l'efficacité et réduire la pollution, " il a dit.
Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , Wang et Ronald K. Hanson, professeur de génie mécanique à Stanford, rapportent une approche basée sur la spectroscopie qui a détecté des niveaux de radicaux OH au moins quatre fois inférieurs à la meilleure méthode précédente utilisée pour analyser OH. Parmi des centaines d'entités moléculaires impliquées dans les réactions de combustion, OH est le plus important car il détermine si et à quelle vitesse le carburant brûlera.
« OH est extrêmement difficile à mesurer, notamment dans les environnements dynamiques et bruyants de la combustion de carburant, car il est très réactif et présent à de très faibles concentrations, ", a déclaré Wang. "Notre approche ouvre la voie à une détection pratique de l'OH dans la plage des parties par milliard."
La nouvelle approche pourrait également être utile pour des applications telles que l'étude de la chimie atmosphérique, où OH est un acteur clé dans la formation et l'appauvrissement de l'ozone, a dit Wang.
Faire progresser la technologie des carburants et des moteurs
Un goulot d'étranglement à la commercialisation de nouveaux types de moteurs ou de carburants optimisés est que leur chimie de combustion n'est pas entièrement comprise en raison d'un manque de méthodes d'analyse sensibles. Pour résoudre ce problème, Wang et son collègue ont développé une technique connue sous le nom de spectroscopie à modulation de fréquence utilisant la lumière ultraviolette (UV).
La spectroscopie fonctionne en projetant un faisceau laser à travers le gaz de test, où les molécules absorberont partiellement la lumière. L'analyse de la lumière sortant de l'échantillon de gaz permet de déterminer exactement quelles molécules, et leurs quantités, étaient présents. Cependant, la mesure spectroscopique de l'OH n'est pas une tâche triviale. Les quantités extrêmement faibles d'OH présentes dans les réactions de combustion, combinée à des températures de réaction élevées et à diverses sources de bruit telles que les vibrations mécaniques et les turbulences gazeuses, rendent la détection pratique de OH très difficile.
Plutôt que d'utiliser une seule longueur d'onde laser, la spectroscopie de modulation de fréquence examine les différences d'absorption lumineuse entre plusieurs longueurs d'onde, permettant de soustraire tout bruit commun entre les lectures. La méthode décale également le signal provenant de l'absorption OH vers une fréquence plus élevée, éliminant ainsi toute dérive basse fréquence qui remet en cause la mesure OH.
"L'idée générale de la spectroscopie de modulation de fréquence existe depuis un certain temps, mais nous sommes les premiers à démontrer son applicabilité à la détection d'OH dans cette gamme de longueurs d'onde particulière, " a déclaré Wang. " L'une des raisons pour lesquelles cela n'a pas été fait auparavant est que la source laser UV de haute qualité nécessaire pour mesurer l'absorption OH est devenue disponible très récemment. "
Les chercheurs ont testé leur nouvelle approche en étudiant la réaction de combustion d'un carburant représentatif, iso-octane, dans un réacteur contrôlé. Ils ont pu atteindre une absorbance minimale détectable de 3,0 X 10 -4 à une température de 1330 K. Cela équivaut à détecter 85 parties par milliard d'OH sur une longueur optique de 15 cm et c'est quatre fois mieux que le meilleur record précédemment rapporté.
Comme prochaine étape, les chercheurs prévoient d'incorporer de meilleurs composants optiques, ce qui, selon eux, pourrait améliorer la sensibilité d'un autre ordre de grandeur. Ils souhaitent également rendre l'équipement plus portable afin qu'il puisse être transporté sur un chariot vers diverses installations d'essai spécialisées. Un système portable leur permettrait également d'utiliser l'approche pour effectuer des mesures dans des conditions pratiques de moteur et d'adapter éventuellement la méthode pour effectuer des mesures dans des moteurs et des chambres de combustion réalistes.
