Una cámara láser de disparo único de ultra alta velocidad ha captado imágenes de cómo se queman los hidrocarburos con el mayor detalle hasta el momento. Además de arrojar nueva luz sobre los procesos que ocurren durante la combustión, la técnica, desarrollada por un equipo de físicos e ingenieros en el California Institute of Technology en los Estados Unidos, el Universidad de Gotemburgo en Suecia y Universidad Friedrich Alexander Erlangen-Nuremberg en Alemania, podría ayudar a desentrañar misterios fundamentales de la física moderna, como el plasma caliente, la sonoluminiscencia y la fusión nuclear, dicen los investigadores. La tecnología también podría resultar útil para la obtención de imágenes biomédicas y para observar cómo se propaga la luz en los materiales en tiempo real.
Las moléculas de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) y las partículas de hollín que se producen cuando se queman los hidrocarburos tienen una vida útil extremadamente corta (del orden de nanosegundos) y las reacciones de combustión en general son muy rápidas y de una sola vez, es decir, no se repiten. Por lo tanto, estudiar la combustión requiere imágenes ultrarrápidas para capturar estos procesos.
Los investigadores, dirigidos por Yogeshwar Nath Mishra, creó una cámara láser que puede hacer precisamente esto al producir videos a una velocidad récord de 12.5 millones de imágenes por segundo. Esto es al menos mil veces más rápido que las técnicas actuales de alta velocidad que están limitadas a un millón de fotogramas por segundo (fps). El nuevo dispositivo funciona fotografiando un material en una capa bidimensional utilizando una técnica llamada fotografía ultrarrápida comprimida de hoja láser de un solo disparo (LS-CUP).
El método se basa en disparar un solo pulso láser de nanosegundos de duración sobre una muestra, en contraste con las técnicas anteriores que usaban múltiples pulsos para lograr un millón de fps. Estos pulsos pueden cambiar las propiedades físicas y ópticas del hollín a medida que el láser agrega energía y calor al sistema.
“La técnica nos permite extraer parámetros críticos de la dinámica rápida que se produce durante la combustión, como la vida útil de la fluorescencia de las moléculas de PAH (que son peligrosas para el medio ambiente), el tamaño de las nanopartículas de hollín, el tamaño de los grupos de hollín y la temperatura de las partículas”, explica Mishra. "Por primera vez, hemos tomado una imagen 2D de disparo único de PAH a 1.25 millones de fps y, a partir de las imágenes de dispersión láser, hemos obtenido mapas del tamaño de estos hidrocarburos".
Combinación de dos modalidades de imagen
En este estudio, el equipo combinó dos modalidades de imágenes: imágenes de lámina láser (LS) y fotografía ultrarrápida comprimida (CUP). “Una hoja láser esencialmente se cruza con un plano 2D de una muestra 3D”, explica Mishra. “Por lo tanto, proporciona un perfil espacial y temporal de la dinámica que ocurre en el plano sondeado, por ejemplo, la turbulencia y la interacción entre diferentes especies químicas. Para realizar imágenes de disparo único, aplicamos un algoritmo de detección comprimido en una imagen de cámara de rayas estándar”, explica. Mundo de la física.
La cámara puede filmar especies químicas como PAH y hollín en tiempo real, del orden de nanosegundos a subnanosegundos, agrega Mishra. “Con mil millones de fps, es posible ver cómo evoluciona el hollín a partir de PAH. Otra ventaja es que podemos registrar dos especies al mismo tiempo porque la cámara tiene dos canales de alta velocidad, algo que es extremadamente útil para obtener imágenes cuantitativas”.
Las fluctuaciones de flujo de combustible, presión y calor provocan oscilaciones de combustión en motores de cohetes
Según los investigadores, que informan de su trabajo en Luz: ciencia y aplicaciones, la nueva cámara podría combinarse con métodos de imágenes planares preexistentes para la investigación de la combustión. Además de tales estudios, LS-CUP también podría usarse para observaciones en tiempo real de combustión de hidrógeno, combustión asistida por plasma y combustión de polvo metálico, dicen.
En cuanto al trabajo futuro, Mishra dice que él y sus colegas ahora buscarán realizar imágenes ultrarrápidas en tiempo real para el tamaño de la molécula de PAH utilizando pulsos de duración de femtosegundos mediante la implementación de anisotropía de fluorescencia de dos canales con su esquema actual. “También estamos estudiando el impacto de la alta fluencia del láser en la oxidación del hollín y la grafitización, procesos que podrían ser esenciales para fabricar nanomateriales a base de carbono para una gran cantidad de aplicaciones tecnológicas”, dice Mishra.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-camera-images-combustion-in-real-time/
