Ζωγραφίζοντας μια σαφή εικόνα για το πώς σχηματίζονται τα οξείδια του αζώτου

Τα οξείδια του αζώτου (NOx) είναι σημαντικότατοι ατμοσφαιρικοί ρύποι καθόσον συμβάλλουν στο σχηματισμό του νέφους, της όξινης βροχής και της ποσότητας του όζοντος σε επίπεδο εδάφους. Εξαιτίας αυτού, ερευνητές αντιδράσεων καύσης και εταιρείες κατασκευής μηχανών εσωτερικής καύσης, έχουν εργαστεί από τη δεκαετία του 1980 ακόμα στον τομέα αυτό με σκοπό να κατανοήσουν το πώς παράγονται αυτά τα αέρια κατά την καύση ώστε να μπορούν να βρουν και τρόπους για να μειώσουν την παραγωγή τους.

Σε μια νέα αναθεωρημένη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Progress in Energy and Combustion Science, ερευνητές του εργαστηρίου Argonne National Laboratory του Υπουργείου Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής και του Τεχνικού Πανεπιστημίου της Δανίας, έχουν εξηγήσει το πως συνέθεσαν μιας δεκαετίας και πλέον μελέτες αντιδράσεων καύσης, με σκοπό να δημιουργήσουν ένα νέο κυρίαρχο μοντέλο για το πώς παράγονται τα οξείδια του αζώτου. «Η παραγωγή οξειδίων του αζώτου (NOx) είναι μία από τις κύριες ανησυχίες των εταιρειών κατασκευής κινητήρων», δήλωσε ο χημικός της Argonne και συγγραφέας της μελέτης Stephen Klippenstein (φωτογραφία). «Η κατανόησή μας για πώς παράγονται οι ρύποι αυτοί σε διαφορετικά μηχανικά περιβάλλοντα έχει ενισχυθεί δραματικά», πρόσθεσε.

Μια μεγάλη σειρά από διαφορετικές χημικές αλληλεπιδράσεις διενεργούνται εντός του μίγματος καυσίμου και αέρα σε μια μηχανή και το νέο μοντέλο προσδιορίζει πολλές διαφορετικές διαδρομές προς το σχηματισμό των οξειδίων NOx. Σε μια τέτοια σειρά αντιδράσεων σύνθεσης, που ονομάζεται άμεσο NO (μονοξειδίου του αζώτου), το άζωτο της ατμόσφαιρας συνδυάζεται με τον άνθρακα προς σχηματισμό ενός ενδιάμεσου προϊόντος με έναν άνθρακα και δύο άτομα αζώτου, το οποίο τελικά ενώνεται με οξυγόνο προς σχηματισμό μονοξειδίου του αζώτου.

Σε μία άλλη σειρά, που ονομάζεται θερμική σειρά του NO, το μονοξείδιο του αζώτου παράγεται απευθείας από άζωτο και οξυγόνο. Σε μία τρίτη, ονομαζόμενη καύσιμο ΝΟ, σχηματίζεται μια ένωση του αζώτου του άνθρακα και του οξυγόνου ως ένα ενδιάμεσο βήμα προς το σχηματισμό του μονοξειδίου του αζώτου. «Το να προσπαθούμε να συγκεντρώσουμε τα παραπάνω συνθετικά μονοπάτια για να δημιουργήσουμε ένα μοντέλο που αναπαράγει με ακρίβεια τις πειραματικές μας παρατηρήσεις, αυτό είναι από μόνο του και ένα παιχνίδι εικασιών», δήλωσε ο χημικός της Argonne, Branko Ruscic, ένας από τους συντάκτες της παραπάνω μελέτης. «Ωστόσο, επειδή πάρα πολλοί επιστήμονες από όλο τον κόσμο, συμβάλλουν με πληροφορίες σχετικές με τα διάφορα τμήματα της ευρύτερης εικόνας, είμαστε πιο κοντά από ποτέ σε ένα μοντέλο που αντιπροσωπεύει την πραγματικότητα.»

Σύμφωνα με τον Klippenstein, ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά της διαδικασίας καύσης, είναι η θερμοκρασία, που συμβάλει καθοριστικά και κάνει την μεγάλη διαφορά στην ποσότητα των NOx που παράγονται. «Η θερμοκρασία επηρεάζει την διάρκεια ζωής των μορίων στο μίγμα», τόνισε ο Klippenstein. «Από τη στιγμή που είμαστε σε θέση με ακρίβεια να μοντελοποιήσουμε και να προβλέψουμε τη συμπεριφορά μερικών εξαιρετικά βραχύβιων μορίων, είναι ζωτικής σημασίας ο καθορισμός της σειράς των αντιδράσεων σύνθεσης». «Εάν μπορούμε να λειτουργήσουμε τον κινητήρα μας σε χαμηλότερη θερμοκρασία, μπορούμε να αποφύγουμε το σχηματισμό των περισσοτέρων οξειδίων NOx», πρόσθεσε.

Ένας άλλος παράγοντας της διαδικασίας καύσης, που επηρεάζει δραματικά την παραγωγή NOx, είναι αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν «πλούτο» του μίγματος που είναι η αναλογία καυσίμου και αέρα στο μίγμα καύσης. Σε κινητήρες που λειτουργούν με εμπλουτισμένο καύσιμο, υπάρχουν μόρια με περισσότερες μεθυλικές ομάδες, είπε Ruscic, που τείνουν να ενισχύσουν το σχηματισμό των οξειδίων NOx. «Είμαστε σε θέση να μπορούμε να καταλάβουμε αρκετά καλά το σχηματισμό NOx», προσέθεσε ο Ruscic. «Είναι πραγματικά ένα καλό παράδειγμα για το θρίαμβο της επιστημονικής κοινότητας».

«Είναι σαν να συνθέτουμε ένα παζλ όπου μερικά από τα κομμάτια ίσως φαίνεται να ταιριάζουν, αλλά δεν έχουν ακόμα ζωγραφιστεί», δήλωσε ο Klippenstein. «Ο ρόλος μας είναι να καταλάβουμε πώς να ζωγραφίσουμε περισσότερα από αυτά τα κομμάτια, έτσι ώστε οι συνεργάτες μας να μπορέσουν να τα τοποθετήσουν όλα μαζί καλύτερα στην μεγάλη εικόνα».

Πηγή: Argonne National Laboratory

Περισσότερα στη δημοσίευση: Modeling nitrogen chemistry in combustion. Progress in Energy and Combustion Science.