Antes de embarcarse en un viaje transcontinental, los aviones a reacción se llenan con decenas de miles de galones de combustible. En caso de un choque, tales cantidades de combustible aumentan la gravedad de una explosión tras el impacto. Investigadores de Caltech y JPL han descubiertoun aditivo de combustible polimérico que puede reducir la intensidad de las explosiones posteriores al impacto que ocurren durante accidentes y actos terroristas. Además, los resultados preliminares muestran que el aditivo puede proporcionar este beneficio sin afectar negativamente el rendimiento del combustible.
El trabajo se publica en la edición del 2 de octubre de la revista ciencia .
Los motores a reacción comprimen el aire y lo combinan con una fina pulverización de combustible para aviones. La ignición de la mezcla de aire y combustible para aviones por una chispa eléctrica desencadena una explosión controlada que empuja el avión hacia adelante. Los aviones a reacción son impulsados por miles de estas pequeñas explosionesSin embargo, el proceso que distribuye la pulverización de combustible para ignición, conocido como nebulización, también hace que el combustible se disperse rápidamente y se incendie fácilmente en caso de un impacto.
El aditivo, creado en el laboratorio de Julia Kornfield BS '83, profesora de ingeniería química, es un tipo de polímero, una molécula larga compuesta por muchas subunidades repetidas, cubierta en cada extremo por unidades que actúan comoVelcro: los polímeros individuales se unen espontáneamente en cadenas ultra largas llamadas "megasupramolecules".
Megasupramolecules, dice Kornfield, tiene una combinación de propiedades sin precedentes que les permite controlar la nebulización de combustible, mejorar el flujo de combustible a través de las tuberías y reducir la formación de hollín. Las megasupramolecules inhiben la nebulización en condiciones de choque y permiten la nebulización durante la inyección de combustible en el motor.
Otros polímeros han mostrado estos beneficios, pero tienen deficiencias que limitan su utilidad. Por ejemplo, los polímeros ultra largos tienden a romperse irreversiblemente cuando pasan a través de bombas, tuberías y filtros. Como resultado, pierden sus propiedades útiles. Esto no es unproblema con megasupramolecules, sin embargo. Aunque las supramolecules también se desprenden en partes más pequeñas a medida que pasan a través de una bomba, el proceso es reversible. Las unidades tipo Velcro en los extremos de las cadenas individuales simplemente se reconectan cuando se encuentran, "curando" efectivamente las megasupramolecules.
Cuando se agrega al combustible, las megasupramolecules afectan dramáticamente el comportamiento del flujo incluso cuando la concentración de polímero es demasiado baja para influir en otras propiedades del líquido. Por ejemplo, el aditivo no cambia el contenido de energía, la tensión superficial o la densidad del combustible.Además, la potencia y la eficiencia de los motores que usan combustible con el aditivo no cambian, al menos en los motores diesel que se han probado hasta ahora.
Cuando ocurre un impacto, las supramoleculas entran en acción. Las supramoleculas pasan la mayor parte de su tiempo enrolladas en una conformación compacta. Sin embargo, cuando hay un alargamiento repentino del fluido, las moléculas de polímero se estiran y resisten un mayor alargamiento. Estoel estiramiento les permite inhibir la ruptura de las gotas en condiciones de impacto, reduciendo así el tamaño de las explosiones, así como reducir la turbulencia en las tuberías.
"La idea de megasupramolecules surgió de polímeros ultra largos", dice el científico investigador y coautor principal Ming-Hsin "Jeremy" Wei PhD '14. "A fines de los años setenta y principios de los ochenta, los científicos de polímeros estaban muy entusiasmados conagregar polímeros ultra largos al combustible para hacer menos intensas las explosiones de aviones después del impacto ". El concepto se probó en una prueba de choque a gran escala de un avión en 1984. El avión se vio envuelto brevemente en una bola de fuego, generando titulares negativos y causando polímeros ultra largospara caer rápidamente en desgracia, dice Wei.
En 2002, Virendra Sarohia PhD '75 en JPL trató de revivir la investigación sobre el control de la niebla con la esperanza de prevenir otro ataque como el del 11 de septiembre ". Se acercó a mí y me convenció para diseñar un nuevo polímero para la nieblacontrol del combustible para aviones ", dice Kornfield, el autor correspondiente en el nuevo documento. El primer avance se produjo en 2006 con la predicción teórica de las megasupramolecules por Ameri David PhD '08, entonces un estudiante graduado en su laboratorio. David diseñó cadenas individualesque son lo suficientemente pequeños como para eliminar problemas anteriores y que se asocian dinámicamente en megasupramolecules, incluso a bajas concentraciones. Sugirió que estos conjuntos podrían proporcionar los beneficios de los polímeros ultra largos, con la nueva característica de que podrían pasar a través de bombas y filtros ilesos.
Cuando Wei se unió al proyecto en 2007, se propuso crear estas moléculas teóricas. Producir polímeros de la longitud deseada con "Velcro molecular" suficientemente fuerte en ambos extremos resultó ser un desafío. Con la ayuda de un catalizador desarrollado por RobertGrubbs, el profesor de química Victor y Elizabeth Atkins y ganador del Premio Nobel de Química 2005, Wei desarrolló un método para controlar con precisión la estructura del velcro molecular y colocarlo en el lugar correcto en las cadenas de polímeros.
La integración de la ciencia y la ingeniería fue la clave del éxito. Simon Jones, químico industrial ahora en JPL, ayudó a Wei a desarrollar métodos prácticos para producir cadenas cada vez más largas con los grupos finales similares a Velcro. Coautor principal y estudiante graduado de CaltechBoyu Li ayudó a Wei a explorar la física detrás del comportamiento emocionante de estos nuevos polímeros. Joel Schmitigal, científico del Centro de Desarrollo e Ingeniería de Investigación Automotriz de Tanques del Ejército de los EE. UU. TARDEC en Warren, Michigan, realizó pruebas esenciales que pusieron al polímero en el caminohacia la aprobación como un nuevo aditivo de combustible.
"Mirando hacia el futuro, si quiere usar este aditivo en miles de galones de combustible para aviones, diesel o petróleo, necesita un proceso para producirlo en masa", dice Wei. "Es por eso que mi objetivo esdesarrollar un reactor que produzca continuamente el polímero, y planeo lograrlo en menos de un año ".
"Sobre todo", dice Kornfield, "esperamos que estos nuevos polímeros salven vidas y minimicen las quemaduras que resultan de los incendios de combustible después del impacto".
Los hallazgos se publican en un documento titulado "Megasupramolecules para un combustible más seguro y limpio por la asociación final de polímeros telequélicos largos". El trabajo fue financiado por TARDEC, la Administración Federal de Aviación, la Fundación Schlumberger y el Fondo Gates Grubstake.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Original escrito por Jessica Stoller-Conrad. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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