13.05.2022 - Shibaura Institute of Technology

Forscher zeigen, wie man flüssige Brennstoffe in Polymergelen lagern kann, um Explosionen und Brände zu verhindern

Japanische Wissenschaftler erforschen eine neue, sicherere Methode für den Transport und die Lagerung von Brennstoffen

Flüssige Brennstoffe mit hoher Energiedichte sind für viele Anwendungen unerlässlich, bei denen chemische Energie in kontrollierte Bewegung umgewandelt wird, wie z. B. in Raketen, Gasturbinen, Kesseln und bestimmten Fahrzeugmotoren. Neben ihren Verbrennungseigenschaften und ihrer Leistung ist es auch wichtig, die Sicherheit und Stabilität dieser Brennstoffe bei der Verwendung sowie bei Transport und Lagerung zu gewährleisten.

Eine häufige Gefahr beim Umgang mit flüssigen Brennstoffen besteht darin, dass sie auf engem Raum schnell verdampfen und dabei Wolken hochentzündlicher Gase bilden können. Wie nicht anders zu erwarten, kann dies zu katastrophalen Explosionen oder Brandunfällen führen. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, haben Forscher die Verwendung von gelierten Kraftstoffen in Erwägung gezogen, oder von Kraftstoffen, die durch kalte Temperaturen in dicke gelartige Substanzen verwandelt werden. Leider gibt es viele Aspekte zu optimieren und Hürden zu überwinden, bevor gelierte Kraftstoffe über das Forschungsstadium hinausgehen können.

Glücklicherweise hat ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Naoki Hosoya vom Shibaura Institute of Technology (SIT) und Prof. Shingo Maeda vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, vor kurzem eine überzeugendere Lösung für das Sicherheitsproblem flüssiger Kraftstoffe untersucht, nämlich ihre Lagerung in polymeren Gel-Netzwerken. In ihrer Studie analysierte das Team die Leistung, Vorteile und Grenzen der Lagerung von Ethanol, einem gängigen Flüssigbrennstoff, in einem chemisch vernetzten Poly(N-Isopropylacrylamid)-Gel (PNIPPAm). Diese Arbeit wurde am 21. April 2022 online gestellt und am 15. September 2022 in Band 444 des Chemical Engineering Journal veröffentlicht.

Zunächst überprüften sie, ob der Einschluss von Ethanolmolekülen in den langen und chemisch verflochtenen PNIPAAm-Polymerketten zur Verringerung der Verdunstungsrate beiträgt. Um dies zu testen, stellten die Forscher kleine Kugeln aus PNIPAAm-Gel her, die mit Ethanol beladen waren, und legten sie auf eine elektronische Waage, um aufzuzeichnen, wie sich die Masse veränderte, wenn das Ethanol verdampfte. Sie führten dieses Experiment auch mit einer äquivalenten Ethanolpfütze durch, die ungefähr die gleiche Oberfläche und Masse wie die Gelkugel hatte.

Sie fanden heraus, dass die Lagerung von Ethanol im Polymergel die Tendenz des Kraftstoffs, schnell zu verdampfen, vollständig unterdrückte. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Ethanolmoleküle im Gel "gefangen" sind, wie Prof. Hosoya erklärt: "Das polymere Gel enthält unzählige dreidimensionale Polymerketten, die chemisch stark vernetzt sind. Diese Ketten binden die Ethanolmoleküle durch verschiedene physikalische Wechselwirkungen und schränken so deren Verdunstung ein." Interessanterweise verhält sich das beladene Gel nicht wie ein nasses Handtuch. Während ein nasses Handtuch seine Flüssigkeit abgibt, wenn es ausgewrungen wird, gibt das polymere Gel das Ethanol nicht ohne weiteres unter äußerer Einwirkung ab.

Nachdem das Problem der Verdunstung gelöst war, untersuchte das Team die tatsächlichen Verbrennungseigenschaften des Ethanols in dem polymeren Gel-Netzwerk, um zu sehen, ob es effizient verbrennt. Sie zündeten mit Ethanol beladene Gelkugeln verschiedener Größen an und beobachteten die Veränderungen ihrer Massen- und Formprofile in Echtzeit. Auf dieser Grundlage stellten sie fest, dass die Verbrennung der beladenen PNIPAAm-Gelkugeln aus zwei Phasen bestand: eine Phase, in der die Verbrennung des reinen Ethanols dominierte, gefolgt von einer zweiten Phase, in der das PNIPAAm-Polymer selbst verbrannte.

Durch eine anschließende theoretische Analyse dieser Ergebnisse kam das Team zu einer wichtigen Schlussfolgerung: Die erste und wichtigste Verbrennungsphase der beladenen PNIPAAm-Gelkügelchen folgt einem Modell mit konstanter Tröpfchentemperatur, das auch als "d2-Gesetz" bekannt ist. Das bedeutet, dass die Verbrennung des mit Ethanol beladenen Gels durch dasselbe Modell beschrieben werden kann, das für Tröpfchen von Flüssigbrennstoffen verwendet wird, was darauf hindeutet, dass ihre Verbrennungsleistungen ähnlich sein sollten.

Insgesamt ist diese Studie ein Meilenstein auf dem Weg zu neuen Möglichkeiten für den sicheren Transport und die Lagerung von Flüssigbrennstoffen in Polymergelen, die viele Leben retten könnten. "Die Lagerung in Polymergelen könnte Explosionen und Brandunfälle verhindern, indem sie die Verdampfung von Kraftstoffen und damit die Bildung entzündlicher Gasgemische drastisch reduziert, was bei einem Leck in einem Lager leicht passieren kann", erklärt Prof. Hosoya. "In diesem Bereich bleibt noch viel zu tun, z. B. die Überprüfung der Stabilität und Leistung von Polymergelen bei unterschiedlichen Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsbedingungen sowie die Entwicklung einfacherer Herstellungsverfahren und besserer Möglichkeiten für den Einsatz dieser kraftstoffbeladenen Gele in echten Motoren."

Hoffen wir, dass die Forschung schnell voranschreitet, um in naher Zukunft sicherere Arbeitsumgebungen zu schaffen.

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