Telecamera laser ultraveloce per immagini in tempo reale della combustione

Una fotocamera laser a scatto singolo ad altissima velocità ha ripreso il modo in cui gli idrocarburi bruciano con il massimo dettaglio. Oltre a gettare nuova luce sui processi che avvengono durante la combustione, la tecnica, sviluppata da un team di fisici e ingegneri presso la California Institute of Technology negli Stati Uniti, il Università di Göteborg in Svezia e Università Friedrich Alexander Erlangen-Norimberga in Germania – potrebbe aiutare a svelare i misteri fondamentali della fisica moderna come il plasma caldo, la sonoluminescenza e la fusione nucleare, affermano i ricercatori. La tecnologia potrebbe anche rivelarsi utile per l'imaging biomedico e per osservare in tempo reale come la luce si propaga nei materiali.

Le molecole di idrocarburi policiclici aromatici (IPA) e le particelle di fuliggine prodotte quando gli idrocarburi vengono bruciati hanno tempi di vita estremamente brevi (dell'ordine di nanosecondi) e le reazioni di combustione in generale sono molto veloci e one-shot, cioè non si ripetono. Lo studio della combustione richiede quindi immagini ultraveloci per catturare questi processi.

I ricercatori, guidati da Yogeshwar Nath Mishra, ha creato una fotocamera laser in grado di fare proprio questo producendo video a una velocità record di 12.5 miliardi di immagini al secondo. Questo è almeno mille volte più veloce delle attuali tecniche ad alta velocità che sono limitate a un milione di fotogrammi al secondo (fps). Il nuovo dispositivo funziona fotografando un materiale in uno strato bidimensionale utilizzando una tecnica chiamata fotografia ultraveloce compressa con foglio laser a scatto singolo (LS-CUP).

Il metodo si basa sull'emissione di un singolo impulso laser della durata di nanosecondi su un campione, in contrasto con le tecniche precedenti che utilizzavano più impulsi per raggiungere un milione di fps. Questi impulsi possono modificare le proprietà fisiche e ottiche della fuliggine poiché il laser aggiunge energia e calore al sistema.

«La tecnica ci consente di estrarre parametri critici dalle rapide dinamiche che si verificano durante la combustione, come la durata della fluorescenza delle molecole di PAH (che sono pericolose per l'ambiente), le dimensioni delle nanoparticelle di fuliggine, le dimensioni dei cluster di fuliggine e la temperatura delle particelle», spiega Mishra. «Per la prima volta abbiamo acquisito un'immagine 2D a scatto singolo degli IPA a 1.25 miliardi di fps e, dalle immagini di scattering laser, abbiamo ottenuto mappe delle dimensioni di questi idrocarburi».

Combinazione di due modalità di imaging

In questo studio, il team ha combinato due modalità di imaging: imaging laser sheet (LS) e fotografia ultraveloce compressa (CUP). "Un foglio laser interseca essenzialmente un piano 2D di un campione 3D", spiega Mishra. “Fornisce quindi un profilo spaziale e temporale delle dinamiche che si verificano nel piano sondato, ad esempio la turbolenza e l'interazione tra diverse specie chimiche. Per eseguire l'imaging a scatto singolo, applichiamo un algoritmo di rilevamento compresso su un'immagine standard della telecamera a strisce ", afferma Mondo della fisica.

La telecamera può filmare specie chimiche come PAH e fuliggine in tempo reale, nell'ordine di nanosecondi o sub-nanosecondi, aggiunge Mishra. “Con un miliardo di fps, è possibile vedere come si evolve la fuliggine dai PAH. Un altro vantaggio è che possiamo registrare due specie contemporaneamente perché la fotocamera ha due canali ad alta velocità, cosa estremamente utile per l'imaging quantitativo».

Il flusso di carburante, la pressione e le fluttuazioni di calore guidano le oscillazioni di combustione nei motori a razzo

Secondo i ricercatori, che riportano il loro lavoro in Luce: scienza e applicazioni, la nuova fotocamera potrebbe essere combinata con metodi di imaging planare preesistenti per la ricerca sulla combustione. Oltre a tali studi, LS-CUP potrebbe anche essere utilizzato per osservazioni in tempo reale della combustione dell'idrogeno, della combustione assistita da plasma e della combustione di polvere di metallo, affermano.

Per quanto riguarda il lavoro futuro, Mishra afferma che lui e i suoi colleghi cercheranno ora di eseguire l'imaging ultraveloce in tempo reale per il dimensionamento delle molecole di PAH utilizzando impulsi di durata di femtosecondi implementando l'anisotropia di fluorescenza a due canali con il loro schema attuale. "Stiamo anche studiando l'impatto dell'elevata fluenza del laser nell'ossidazione e nella grafitizzazione della fuliggine, processi che potrebbero essere essenziali per la fabbricazione di nanomateriali a base di carbonio per una serie di applicazioni tecnologiche", afferma Mishra.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-camera-images-combustion-in-real-time/