CO2 levert met zeker 80% ruimschoots het grootste aandeel in de schadelijke gassen die vrijkomen bij verbranding van brand-stoffen. Het grootste broeikaseffect komt echter van lachgas (N2O), dat ontstaat bij onvoldoende vermenging en verant-woordelijk is voor ongeveer 90%. De vorming van lachgas is relatief gemakkelijk te vermijden. Om de technische strategieën te kunnen ontwikkelen is een betrouwbare modellering van de vernevelde ontbranding nodig. Daarvoor zijn wel gegevens van experimenten nodig. In de Fallturm van de Universität Bremen is de eerste serie proeven afgerond – met baanbrekende resultaten.
Bij het onderzoek werd voor het eerst de zelfontbranding van aparte brandstofdruppels door middel van uitgebreide laserdiagnostiek onderzocht. Uit de details van de nieuw verkregen informatie zijn volgens de onder-zoekers strategieën te ontwikkelen, die het ontstaan van voor het klimaat ongunstige emissies tijdens het verbrandingsproces kunnen beperken.
Wetenschappers van het Zentrum für angewandte Raumfahrt-technologie und Mikrogravitation (ZARM) binnen de universiteit, van het Institut für Photonische Technologien in Jena en het Institut für Strahlwerkzeuge van de Universität Stuttgart zien de eerste experimenten als een mijlpaal in het verbrandingsonderzoek onder gewichtloosheid. Ze kunnen nu veel beter dan tot nog toe het procesverloop tijdens de ontbranding van een druppel in een hete omgeving herkennen en beschrijven.
Deze informatie is vooral belangrijk om de ontsteking van de brandstofnevel te kunnen begrijpen. Hiervan zal de ontwikkeling van schone verbrandings-processen in motoren, centrales en gasturbines voor vliegtuigen al in de nabije toekomst profiteren.
Opzet
Door toepassing van een nieuwe lasergeneratie leverden de experimenten gedetailleerde antwoorden op voor de onderzoekers essentiële vragen:
- hoe verdampt een druppel?
- hoe, wanneer en waar ontstaat in de omgeving van de druppel de eerste reactie, waarbij formaldehyde ontstaat?
- wanneer en waarom leiden deze reacties tot de ontbranding met een zichtbare vlam?
Dit soort informatie is nodig om in de toekomst verbrandingsmotoren zodanig te construeren, dat de zelfontbranding pas dan ontstaat, als de brandstofnevel zowel volledig is verdampt als gelijkmatig met de in de verbrandingsruimte beschikbare lucht is gemengd.
Dat is een grote technische uitdaging, maar een elementair gegeven voor verbranding met de geringste emissies van schadelijke en klimaat-onvriendelijke delen van stikstofoxyden (NO, NO2 en N2O). Deze laatste stof vormt het grootste aandeel van alle verbrandingsproducten die het broeikasgas veroorzaken. Weliswaar is het massaaandeel in vergelijking tot kooldioxide zeer klein, maar als element van het broeikasgas meer dan twintig keer groter dan CO2.
Nieuwe lasergeneratie
In het verleden werd geprobeerd om resultaten te bereiken met zware lasers, waarbij licht van buitenaf in het vallende beproevingsmonster werd gespiegeld. Het richten van deze laserstraal op een minuscuul klein object zoals een druppel, die met een snelheid van 170 km/h op een afstand van circa 120 m van de lezer af beweegt, was maar beperkt mogelijk.
Na een ontwikkelingstijd van ongeveer tien jaar kon onlangs voor het eerst de zogeheten schijvenlaser bij een valproef worden ingezet. Het is gelukt, om de laser zo ver te verkleinen, dat deze in de capsule past en samen met het experiment de diepte in valt. Daarbij is de kwaliteit van het laserlicht ook nog sterk verbeterd, waardoor de scherpte van de details van de informatie belangrijk vergroot is.
Ondanks de geringe grootte van de laser was de constructie van een speciale capsule noodzakelijk. Met een lengte van meer dan 4 m en een gewicht van 650 kg is het tot nog toe de grootste en zwaarste valcapsule die in de toren in Bremen omlaag gekomen is. De reminstallatie moest danig worden omgebouwd, omdat aan het einde van de proef de kinetische energie van de vallende capsule groot is.
Bijzonder aangenaam maar niet verwacht was, dat de laser na de landing in de met kleine bolletjes polystyreen gevulde opvangbak geen bijstelling nodig had. Het zeer ingewikkelde optische systeem doorstaat het afremmen met meer dan 40 g zonder beschadiging. De onderzoekers hopen nu op een volgende stap: doorontwikkeling van diagnosesysteem voor het gebruik in het internationale ruimtestation ISS.
