Одна из распространенных опасностей при работе с жидким топливом заключается в том, что при наличии свободного пространства оно может быстро испариться, образуя облака легковоспламеняющихся газов. Как и следовало ожидать, это может привести к катастрофическим взрывам или пожарам. Чтобы решить эту проблему, исследователи рассмотрели возможность использования гелеобразного топлива, или топлива, превращенного в густые гелеобразные вещества при низких температурах. К сожалению, существует множество аспектов, требующих оптимизации, и препятствий, которые необходимо преодолеть, прежде чем гелеобразное топливо сможет выйти за рамки этапа исследований.

К счастью, команда исследователей во главе с проф. Наоки Хосоя из Технологического института Сибаура (SIT) и проф. Синго Маэда из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, недавно исследовал более убедительное решение проблемы безопасности жидкого топлива, а именно хранение его внутри полимерных гелевых сеток. В своем исследовании команда проанализировала производительность, преимущества и ограничения хранения этанола, обычного жидкого топлива, в химически сшитом поли (N-изопропилакриламидном) геле (PNIPPAm). Этот документ был доступен онлайн 21 апреля 2022 года и опубликован в томе 444 журнала Журнал химической инженерии 15 сентября 2022 года.

Сначала они проверили, помогает ли улавливание молекул этанола в длинных и химически переплетенных полимерных цепях PNIPAAm снизить скорость его испарения. Чтобы проверить это, исследователи создали небольшие сферы из геля PNIPAAm, наполненные этанолом, и поместили их на электронные весы, чтобы записать, как изменяется масса при испарении этанола. Они также провели этот эксперимент с эквивалентной лужей этанола, примерно с той же площадью поверхности и массой, что и гелевая сфера.

Они обнаружили, что хранение этанола в полимерном геле полностью подавляет тенденцию топлива к быстрому испарению. Вероятно, это связано с тем, как молекулы этанола "заперты" в геле, поскольку проф. Хосоя объясняет: "Полимерный гель содержит бесчисленное множество трехмерных полимерных цепей, которые химически прочно сшиты. Эти цепи связывают молекулы этанола посредством различных физических взаимодействий, ограничивая его испарение в процессе." Интересно, что загруженный гель не ведет себя как мокрое полотенце. В то время как влажное полотенце выделяло бы свою жидкость при отжимании, полимерный гель не так легко выделял этанол под действием внешних сил.

Решив проблему испарения, команда перешла к изучению фактических характеристик горения этанола в полимерной гелевой сетке, чтобы увидеть, эффективно ли они сгорают. Они поджигали наполненные этанолом гелевые сферы различных размеров и наблюдали за изменениями их массы и формы в режиме реального времени. Основываясь на этом, они определили, что горение загруженных гелевых сфер PNIPAAm состояло из двух фаз: фазы, в которой преобладало горение чистого этанола, за которой следовала вторая фаза, в которой преобладало горение самого полимера PNIPAAm.

Проведя последующий теоретический анализ этих результатов, команда пришла к важному выводу: первая и основная фаза горения загруженных гелевых сфер PNIPAAm соответствует модели постоянной температуры капли, также известной как "d² закон". Это означает, что горение наполненного этанолом геля может быть описано с помощью той же модели, которая используется для капель жидкого топлива, намекая на то, что их характеристики горения должны быть аналогичными.

В целом, это исследование является шагом на пути к новым способам безопасной транспортировки и хранения жидкого топлива внутри полимерных гелей, что может спасти много жизней. "Хранение в полимерном геле может предотвратить взрывы и пожары за счет резкого уменьшения испарения топлива и, в свою очередь, образования легковоспламеняющихся газовых смесей, что легко может произойти после утечки в хранилище", - объясняет профессор. Хосоя. "Многое еще предстоит сделать в этом направлении, например, проверить стабильность и эксплуатационные характеристики полимерных гелей при различных температурах, давлении и влажности, а также разработать более простые процедуры изготовления и лучшие способы использования этих топливных гелей в реальных двигателях".