Immagini di anidride carbonica da un aereo di linea

I ricercatori hanno catturato le prime immagini in sezione trasversale di anidride carbonica nel pennacchio di scarico di un motore a reazione in un aereo di linea. Il risultato è stato attenuto con un'innovativa tecnica di imaging a luce nel vicino infrarosso (NIR). La nuova tecnologia potrebbe contribuire ad accelerare la ricerca sulla combustione delle turbine per sviluppare motori e carburanti per l'aviazione più rispettosi dell'ambiente.

"Questo approccio fornisce in tempo reale informazioni spazialmente risolte sulle emissioni di anidride carbonica di un motore commerciale su larga scala". Lo ha dichiarato il responsabile del team di ricerca Michael Lengden dell'Università di Strathclyde nel Regno Unito. "Queste informazioni non sono mai state disponibili su questa scala industriale. Rappresentano quindi un grande miglioramento rispetto all'attuale misurazione delle emissioni standard del settore”. Questo standard prevede il prelievo del gas di scarico in un sistema di analisi dei gas in un luogo diverso.

I ricercatori hanno pubblicato la nuova ricerca sulla rivista Applied Optics dell'Optica Publishing Group. La nuova tecnica, che chiamano tomografia delle specie chimiche, funziona in modo simile alle scansioni CT a raggi X utilizzate in medicina, ma utilizza una luce laser nel vicino infrarosso sintonizzata sulla lunghezza d'onda di assorbimento di una molecola bersaglio e richiede velocità di imaging molto elevate per catturare i processi dinamici della combustione.

"L'industria aeronautica è una delle principali responsabili delle emissioni globali di anidride carbonica. È pertanto necessario che le tecnologie delle turbine e dei carburanti migliorino radicalmente", ha dichiarato Lengden. "Fornendo misurazioni delle emissioni pienamente convalidate, il nostro nuovo metodo potrebbe aiutare l'industria a sviluppare nuove tecnologie che riducano l'impatto ambientale dell'aviazione".

Immagini delle emissioni dei motori degli aerei

Fino ad ora è stato impossibile visualizzare le immagini della combustione delle turbine su banchi di prova contenenti un motore d'aereo di grandi dimensioni. Perciò, quattro gruppi di ricerca sulla strumentazione nel Regno Unito hanno combinato le loro conoscenze nella misurazione delle specie gassose in ambienti difficili, nella tomografia delle specie chimiche e nello sviluppo di sorgenti ottiche. Questi gruppi hanno lavorato con partner industriali per sviluppare una tecnologia che fosse pratica per la ricerca e lo sviluppo industriale.

I team hanno potuto sviluppare una strumentazione all'avanguardia per l'industria aerospaziale e di comprendere emissioni e miglioramenti delle prestazioni dei motori su larga scala. Con la tomografia delle specie chimiche, ora possiamo iniziare a 'vedere' i dettagli chimici della combustione in un vero motore d'aereo di linea.

Sono stati necessari anni per mettere a punto il rapporto segnale/rumore, i metodi di acquisizione dei dati, le tecniche di imaging e le sorgenti ottiche. Ciò ha permesso di creare la prima struttura in grado di acquisire misure di emissioni industriali su larga scala di un motore di aereo di linea.

Catturare la combustione su larga scala

Le immagini vengono acquisite facendo passare 126 fasci di luce laser nel vicino infrarosso attraverso il gas da tutto il lato e con molte angolazioni. Ciò permette di non disturbare il flusso del gas. Per catturare adeguatamente i gas di scarico di un motore di un aereo di linea, è necessario acquisire immagini di un'area di 1,8 m di diametro. Per questo, i componenti di imaging sono stati montati su un telaio di 7 metri di diametro situato a soli 3 metri dall'ugello di uscita del motore. I ricercatori hanno utilizzato 126 fasci ottici per ottenere una risoluzione spaziale di circa 60 mm nella regione centrale dello scarico del motore.

"La metodologia di misurazione utilizzata richiede una conoscenza approfondita della spettroscopia del biossido di carbonio e sistemi elettronici che forniscono dati molto precisi. Inoltre, è stato necessario sviluppare un metodo matematico molto sofisticato per calcolare l'immagine di ciascuna specie chimica a partire dagli assorbimenti misurati dei 126 fasci".

I ricercatori hanno utilizzato questa configurazione su larga scala per eseguire la tomografia delle specie chimiche dell'anidride carbonica prodotta dalla combustione in un moderno motore a gas Rolls-Royce Trent. Questi motori sono tipicamente utilizzati sugli aerei a lungo raggio e contengono un combustore con 18 iniettori di carburante disposti in cerchio. Per i test, i ricercatori hanno registrato i dati con una frequenza di fotogrammi di 1,25 Hz e 0,3125 Hz mentre il motore veniva fatto funzionare sull'intera gamma di spinte.

Le immagini risultanti hanno mostrato che, a tutti i livelli di spinta, nella regione centrale del motore era presente una struttura ad anello con un'elevata concentrazione di anidride carbonica. Inoltre, al centro del pennacchio era presente una regione rialzata, probabilmente dovuta alla forma del motore.

Sviluppi futuri

I ricercatori stanno lavorando per adattare il nuovo strumento per consentire la misurazione quantitativa e l'imaging di altre sostanze chimiche prodotte dalla combustione delle turbine. Ciò sarebbe utile sia nel settore aerospaziale che in quello industriale della generazione di energia, e per catturare immagini della temperatura. Ciò consentirà a ingegneri e scienziati che sviluppano nuove turbine e combustibili di comprendere meglio il processo di combustione per le tecnologie attuali e future.

Il team del progetto comprende le Università di Strathclyde, Edimburgo, Manchester, Southampton, Loughborough e Sheffield. Hanno contribuito anche i produttori di motori Rolls-Royce, per il settore aeronautico; Siemens, per i motori industriali a turbina a gas; OptoSci Ltd., per la strumentazione laser. Inoltre, i produttori di sistemi di imaging M Squared Lasers e Tracerco.