Neues Polymer schafft sicherere Kraftstoffe | 2020

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Anonim

Die Arbeit wird in der Zeitschrift vom 2. Oktober veröffentlicht Wissenschaft .

Düsentriebwerke komprimieren Luft und kombinieren sie mit einem feinen Strahl Düsentreibstoff. Die Zündung des Gemischs aus Luft und Kerosin durch einen elektrischen Funken löst eine kontrollierte Explosion aus, die das Flugzeug nach vorne stößt. Düsenflugzeuge werden von Tausenden dieser winzigen Explosionen angetrieben. Der Prozess, der den Sprühnebel des zu zündenden Kraftstoffs verteilt, führt jedoch auch dazu, dass sich der Kraftstoff im Falle eines Aufpralls schnell verteilt und leicht entzündet.

Das Additiv, das im Labor von Julia Kornfield (BS '83), Professorin für Chemieingenieurwesen, hergestellt wurde, ist eine Art Polymer - ein langes Molekül, das aus vielen sich wiederholenden Untereinheiten besteht und an jedem Ende durch Einheiten verschlossen ist, die wie Klettverschlüsse wirken. Die einzelnen Polymere verbinden sich spontan zu ultralangen Ketten, die als "Megasupramoleküle" bezeichnet werden.

Laut Kornfield verfügen Megasupramoleküle über eine beispiellose Kombination von Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, die Kraftstoffnebelbildung zu kontrollieren, den Kraftstoffdurchfluss durch Rohrleitungen zu verbessern und die Rußbildung zu verringern. Megasupramoleküle hemmen das Beschlagen unter Aufprallbedingungen und ermöglichen das Beschlagen während der Kraftstoffeinspritzung im Motor.

Andere Polymere haben diese Vorteile gezeigt, weisen jedoch Mängel auf, die ihre Brauchbarkeit einschränken. Beispielsweise neigen ultralange Polymere dazu, irreversibel zu brechen, wenn sie durch Pumpen, Rohrleitungen und Filter laufen. Dadurch verlieren sie ihre nützlichen Eigenschaften. Dies ist jedoch bei Megasupramolekülen kein Problem. Obwohl Supramoleküle beim Durchlaufen einer Pumpe auch in kleinere Teile zerfallen, ist der Prozess reversibel. Die klettartigen Einheiten an den Enden der einzelnen Ketten verbinden sich einfach wieder, wenn sie sich treffen, und "heilen" die Megasupramoleküle effektiv.

Megasupramoleküle beeinflussen das Fließverhalten bei Kraftstoffzugabe dramatisch, auch wenn die Polymerkonzentration zu niedrig ist, um andere Eigenschaften der Flüssigkeit zu beeinflussen. Beispielsweise ändert das Additiv den Energiegehalt, die Oberflächenspannung oder die Dichte des Kraftstoffs nicht. Zudem bleiben Leistung und Wirkungsgrad von Motoren, die Kraftstoff mit dem Zusatzstoff verbrauchen, unverändert - zumindest bei den bisher getesteten Dieselmotoren.

Bei einem Aufprall springen die Supramoleküle in Aktion. Die Supramoleküle verbringen den größten Teil ihrer Zeit in einer kompakten Konformation. Bei einer plötzlichen Dehnung der Flüssigkeit dehnen sich die Polymermoleküle jedoch aus und widerstehen einer weiteren Dehnung. Diese Dehnung ermöglicht es ihnen, das Aufbrechen von Tröpfchen unter Aufprallbedingungen zu verhindern - wodurch die Größe von Explosionen verringert wird - sowie Turbulenzen in Rohrleitungen zu verringern.

"Die Idee der Megasupramoleküle ist aus ultralangen Polymeren entstanden", sagt der Forscher und Ko-Erstautor Ming-Hsin "Jeremy" Wei (PhD '14). "In den späten 1970er und frühen 1980er Jahren waren Polymerwissenschaftler sehr begeistert von der Zugabe von ultralangen Polymeren zu Treibstoff, um die Explosionen von Flugzeugen nach dem Aufprall weniger intensiv zu machen." Das Konzept wurde 1984 in einem umfassenden Crashtest eines Flugzeugs getestet. Das Flugzeug war kurzzeitig in einen Feuerball verwickelt, wodurch negative Schlagzeilen entstanden und ultralange Polymere schnell in Ungnade fielen, sagt Wei.

Im Jahr 2002 versuchte Virendra Sarohia (PhD '75) am JPL, die Forschung zur Nebelkontrolle wiederzubeleben, um einen weiteren Angriff wie den des 11. September zu verhindern. "Er hat sich an mich gewandt und mich überzeugt, ein neues Polymer für die Nebelkontrolle von Düsentreibstoff zu entwickeln", sagt Kornfield, der entsprechende Autor des neuen Papiers. Der erste Durchbruch gelang 2006 mit der theoretischen Vorhersage von Megasupramolekülen durch Ameri David (PhD '08), damals Doktorandin in ihrem Labor. David entwarf einzelne Ketten, die klein genug sind, um frühere Probleme zu beseitigen, und die sich selbst bei geringen Konzentrationen dynamisch zu Megasupramolekülen verbinden. Er schlug vor, dass diese Baugruppen die Vorteile von ultralangen Polymeren bieten könnten, mit der neuen Eigenschaft, dass sie Pumpen und Filter unbeschadet passieren könnten.

Als Wei 2007 dem Projekt beitrat, machte er sich daran, diese theoretischen Moleküle zu erschaffen. Die Herstellung von Polymeren der gewünschten Länge mit ausreichend starkem "molekularem Klettverschluss" an beiden Enden erwies sich als Herausforderung. Mit Hilfe eines Katalysators, der von Robert Grubbs, dem Professor für Chemie von Victor und Elizabeth Atkins und dem Nobelpreis für Chemie 2005, entwickelt wurde, entwickelte Wei eine Methode, um die Struktur des molekularen Klettverschlusses präzise zu steuern und an die richtige Stelle zu bringen die Polymerketten.

Die Integration von Wissenschaft und Technik war der Schlüssel zum Erfolg. Simon Jones, ein Industriechemiker am JPL, half Wei bei der Entwicklung praktischer Methoden zur Herstellung immer längerer Ketten mit klettartigen Endgruppen. Der Ko-Erstautor und Caltech-Absolvent Boyu Li half Wei dabei, die Physik hinter dem aufregenden Verhalten dieser neuen Polymere zu erforschen. Joel Schmitigal, ein Wissenschaftler am Forschungs- und Entwicklungszentrum für Panzerfahrzeuge der US-Armee (TARDEC) in Warren, Michigan, führte wichtige Tests durch, die das Polymer auf den Weg brachten, als neues Kraftstoffadditiv zugelassen zu werden.

"Wenn Sie dieses Additiv in der Zukunft in Tausenden von Gallonen Düsentreibstoff, Diesel oder Öl verwenden möchten, brauchen Sie ein Verfahren, um es in Serie zu produzieren", sagt Wei. "Deshalb ist es mein Ziel, einen Reaktor zu entwickeln, in dem das Polymer kontinuierlich hergestellt wird - und ich plane, ihn in weniger als einem Jahr zu erreichen."

"Vor allem", sagt Kornfield, "hoffen wir, dass diese neuen Polymere Leben retten und Verbrennungen aufgrund von Kraftstoffbränden nach dem Aufprall minimieren."

Die Ergebnisse wurden in einem Artikel mit dem Titel "Megasupramoleküle für sichereren, saubereren Kraftstoff durch Endassoziation langer telechelischer Polymere" veröffentlicht. Die Arbeit wurde von TARDEC, der Federal Aviation Administration, der Schlumberger Foundation und dem Gates Grubstake Fund finanziert.