( a ) Diagramas de energía y Feynman de una vía CRS resonante (izquierda) y no resonante (derecha). (b) Ángulos de polarización de las señales CRS resonante (línea azul) y no resonante (línea roja), β y γ, representados como el ángulo de elevación en la esfera unitaria en función del ángulo de polarización relativo (ángulo azimutal) de la campos de bombeo/Stokes y sonda, α. ( c ) Esquema del espectrómetro de imágenes coherentes sensible a la polarización. OW, ventana óptica; SL, lentes esféricos; M, espejo; BPF, filtro de paso de banda; PBS, divisor de haz de polarización; FR, rombo de Fresnel; BS, parada de haz. Recuadro:volumen de la sonda. La sonda cruza la bomba de banda ultraancha/haz de Stokes unos 2 mm después del final del filamento. El incremento de la energía de entrada da como resultado el alargamiento del filamento hacia la óptica de enfoque (dirección de la flecha) (d) Puntos de medición a lo largo del frente de la llama de H2/aire, la línea roja discontinua identifica la ubicación del borde del quemador en y = 9,5 mm. Crédito:Optics Express (2022). DOI:10.1364/OE.465817
Los investigadores han desarrollado un instrumento analítico que utiliza un láser ultrarrápido para medir con precisión la temperatura y la concentración de hidrógeno. Su nuevo enfoque podría ayudar a avanzar en el estudio de combustibles más ecológicos a base de hidrógeno para su uso en naves espaciales y aviones.
"Este instrumento proporcionará poderosas capacidades para probar procesos dinámicos como la difusión, la mezcla, la transferencia de energía y las reacciones químicas", dijo el líder del equipo de investigación, Alexis Bohlin, de la Universidad Tecnológica de Luleå en Suecia. "Comprender estos procesos es fundamental para desarrollar motores de propulsión más ecológicos".
En Óptica Express , Bohlin y sus colegas de la Universidad Tecnológica de Delft y la Vrije Universiteit Amsterdam, ambas en los Países Bajos, describen su nuevo instrumento de espectroscopia Raman coherente para estudiar el hidrógeno. Fue posible gracias a una configuración que convierte la luz de banda ancha de un láser con pulsos cortos (femtosegundos) en pulsos supercontinuos extremadamente cortos, que contienen una amplia gama de longitudes de onda.
Los investigadores demostraron que esta generación de supercontinuo podría realizarse detrás del mismo tipo de ventana óptica gruesa que se encuentra en las cámaras de alta presión utilizadas para estudiar un motor basado en hidrógeno. Esto es importante porque otros métodos para generar excitación de banda ultraancha no funcionan cuando están presentes este tipo de ventanas ópticas.
"El combustible rico en hidrógeno, cuando se fabrica a partir de recursos renovables, podría tener un gran impacto en la reducción de emisiones y hacer una contribución significativa para aliviar el cambio climático antropogénico", dijo Bohlin. "Nuestro nuevo método podría utilizarse para estudiar estos combustibles en condiciones muy parecidas a las de los motores aeroespaciales y de cohetes".
Entrando luz
Hay mucho interés en desarrollar motores aeroespaciales que funcionen con combustibles renovables ricos en hidrógeno. Además de su atractivo de sostenibilidad, estos combustibles tienen uno de los impulsos específicos más altos que se pueden lograr, una medida de la eficiencia con la que la reacción química en un motor genera empuje. Sin embargo, ha sido un gran desafío hacer que los sistemas de propulsión química basados en hidrógeno sean confiables. Esto se debe a que la mayor reactividad de los combustibles ricos en hidrógeno cambia sustancialmente las propiedades de combustión de la mezcla de combustible, lo que aumenta la temperatura de la llama y reduce los tiempos de retardo del encendido. Además, la combustión en motores de cohetes suele ser muy difícil de controlar debido a las presiones y temperaturas extremadamente altas que se encuentran al viajar al espacio.
"El avance de la tecnología para el lanzamiento sostenible y los sistemas de propulsión aeroespacial se basa en una interacción coherente entre los experimentos y el modelado", dijo Bohlin. "Sin embargo, todavía existen varios desafíos en términos de producir datos cuantitativos confiables para validar los modelos".
Uno de los obstáculos es que los experimentos generalmente se realizan en un espacio cerrado con transmisión limitada de señales ópticas de entrada y salida a través de ventanas ópticas. Esta ventana puede hacer que los pulsos de supercontinuo necesarios para la espectroscopia Raman coherente se estiren a medida que atraviesan el cristal. Para superar este problema, los investigadores desarrollaron una forma de transmitir láser pulsado de femtosegundos a través de una ventana óptica gruesa y luego utilizaron un proceso llamado filamentación inducida por láser para transformarlo en pulsos supercontinuos que permanecen coherentes en el otro lado.
Estudiando una llama de hidrógeno
Para demostrar el nuevo instrumento, los investigadores instalaron un rayo láser de femtosegundo con las propiedades ideales para la generación de supercontinuum. Luego lo usaron para realizar una espectroscopia Raman coherente excitando moléculas de hidrógeno y midiendo sus transiciones rotacionales. Pudieron demostrar mediciones sólidas de gas hidrógeno en una amplia gama de temperaturas y concentraciones y también analizaron una llama de difusión de hidrógeno/aire similar a la que se vería cuando se quema un combustible rico en hidrógeno.
Los investigadores ahora están usando su instrumento para realizar un análisis detallado en una llama de hidrógeno turbulenta con la esperanza de hacer nuevos descubrimientos sobre el proceso de combustión. Con el objetivo de adoptar el método para la investigación y prueba de motores de cohetes, los científicos están explorando las limitaciones de la técnica y les gustaría probarla con llamas de hidrógeno en una carcasa cerrada ligeramente presurizada. Una nueva técnica para medir las temperaturas en las llamas de combustión podría conducir a biocombustibles más limpios
