Les chercheurs ont développé un instrument analytique qui utilise un laser ultrarapide pour des mesures précises de la température et de la concentration d'hydrogène. Leur nouvelle approche pourrait aider à faire avancer l'étude de carburants à base d'hydrogène plus écologiques à utiliser dans les engins spatiaux et les avions.

"Cet instrument fournira des capacités puissantes pour sonder les processus dynamiques tels que la diffusion, le mélange, le transfert d'énergie et les réactions chimiques", a déclaré le chef de l'équipe de recherche Alexis Bohlin de l'Université de technologie de Luleå en Suède. "La compréhension de ces processus est fondamentale pour développer des moteurs de propulsion plus respectueux de l'environnement."

Dans Optics Express , Bohlin et ses collègues de l'Université de technologie de Delft et de la Vrije Universiteit Amsterdam, toutes deux aux Pays-Bas, décrivent leur nouvel instrument de spectroscopie Raman cohérent pour l'étude de l'hydrogène. Cela a été rendu possible grâce à une configuration qui convertit la lumière à large bande d'un laser avec des impulsions courtes (femtoseconde) en impulsions supercontinuum extrêmement courtes, qui contiennent une large gamme de longueurs d'onde.

Les chercheurs ont démontré que cette génération de supercontinuum pouvait être réalisée derrière le même type de fenêtre optique épaisse que celle trouvée sur les chambres à haute pression utilisées pour étudier un moteur à hydrogène. Ceci est important car les autres méthodes de génération d'excitation ultralarge bande ne fonctionnent pas lorsque ces types de fenêtres optiques sont présentes.

"Un carburant riche en hydrogène, lorsqu'il est fabriqué à partir de ressources renouvelables, pourrait avoir un impact énorme sur la réduction des émissions et apporter une contribution significative à l'atténuation du changement climatique anthropique", a déclaré Bohlin. "Notre nouvelle méthode pourrait être utilisée pour étudier ces carburants dans des conditions proches de celles des moteurs de fusée et d'aérospatiale."

Faire entrer la lumière

On s'intéresse beaucoup au développement de moteurs aérospatiaux qui fonctionnent avec des carburants renouvelables riches en hydrogène. En plus de leur attrait pour la durabilité, ces carburants ont l'une des impulsions spécifiques les plus élevées possibles, une mesure de l'efficacité avec laquelle la réaction chimique dans un moteur crée une poussée. Cependant, il a été très difficile de fiabiliser les systèmes de propulsion chimique à base d'hydrogène. En effet, la réactivité accrue des carburants riches en hydrogène modifie considérablement les propriétés de combustion du mélange de carburant, ce qui augmente la température de la flamme et diminue les temps de retard d'allumage. De plus, la combustion dans les moteurs de fusée est généralement très difficile à contrôler en raison des pressions et des températures extrêmement élevées rencontrées lors des voyages dans l'espace.

"L'avancement de la technologie pour les systèmes de lancement et de propulsion aérospatiaux durables repose sur une interaction cohérente entre les expériences et la modélisation", a déclaré Bohlin. "Cependant, plusieurs défis subsistent en termes de production de données quantitatives fiables pour valider les modèles."

L'un des obstacles est que les expériences sont généralement menées dans un espace clos avec une transmission limitée des signaux optiques entrants et sortants à travers des fenêtres optiques. Cette fenêtre peut entraîner l'étirement des impulsions supercontinuum nécessaires à la spectroscopie Raman cohérente lorsqu'elles traversent le verre. Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont développé un moyen de transmettre un laser pulsé femtoseconde à travers une fenêtre optique épaisse, puis ont utilisé un processus appelé filamentation induite par laser pour le transformer en impulsions supercontinuum qui restent cohérentes de l'autre côté.

Étude d'une flamme d'hydrogène

Pour démontrer le nouvel instrument, les chercheurs ont mis en place un faisceau laser femtoseconde avec les propriétés idéales pour la génération de supercontinuum. Ils l'ont ensuite utilisé pour effectuer une spectroscopie Raman cohérente en excitant des molécules d'hydrogène et en mesurant leurs transitions rotationnelles. Ils ont pu démontrer des mesures robustes de l'hydrogène gazeux sur une large gamme de températures et de concentrations et ont également analysé une flamme de diffusion hydrogène/air similaire à ce que l'on verrait lors de la combustion d'un carburant riche en hydrogène.

Les chercheurs utilisent maintenant leur instrument pour effectuer une analyse détaillée dans une flamme d'hydrogène turbulente dans l'espoir de faire de nouvelles découvertes sur le processus de combustion. Dans le but d'adopter la méthode de recherche et d'essai des moteurs de fusée, les scientifiques explorent les limites de la technique et aimeraient la tester avec des flammes d'hydrogène dans un boîtier fermé légèrement pressurisé. + Explorer plus loin

Une nouvelle technique pour mesurer les températures dans les flammes de combustion pourrait conduire à des biocarburants plus propres