Quantitative Characterization of Hydrogen Jet Stratification Using Combined PLIF-LIBS Diagnostics

दुनिया को चलाने वाले भारी ट्रकों, जहाजों और हवाई जहाजों को शक्ति देने के लिए, बैटरियां अक्सर कम पड़ जाती हैं। वे इन विशाल यात्राओं के लिए बहुत भारी हैं और उनमें ऊर्जा बहुत कम होती है। हाइड्रोजन एक अलग रास्ता प्रदान करता है। यह अविश्वसनीय रूप से हल्का और ऊर्जा से भरपूर है, लेकिन यह एक गैस भी है जो आसानी से फैल जाती है। इसे इंजन में काम करने के योग्य बनाने के लिए, इंजीनियरों को इसे एक तंग जगह में धकेलना पड़ता है और इसे बिल्कुल सही समय पर हवा के साथ मिलाना पड़ता है। यदि मिश्रण बहुत पतला है, तो इंजन चालू नहीं होगा। यदि यह बहुत गाढ़ा है, तो यह मिसफायर कर सकता है या हानिकारक उत्सर्जन पैदा कर सकता है। चुनौती इस बात को नियंत्रित करने में निहित है कि यह अदृश्य गैस एक नोजल से बाहर निकलते समय, हवा के साथ घुलते-मिलते हुए और एक स्पार्क (चिंगारी) से जलने से पहले कैसे घूमती और मिश्रित होती है। इस क्षणिक, अराजक नृत्य को समझना भविष्य के स्वच्छ और शक्तिशाली इंजन बनाने की कुंजी है।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस अदृश्य प्रक्रिया को अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ मैप करने का प्रयास किया। वे यह देखना चाहते थे कि हाइड्रोजन एक चैंबर के भीतर कैसे फैलता है जो वास्तविक इंजन के भीतर की स्थितियों की नकल करता है। ऐसा करने के लिए, उन्होंने देखने के दो अलग-अलग तरीकों को मिलाया, जिससे एक ऐसी विधि बनी जो एक धुंधली तस्वीर को एक सटीक मानचित्र में बदल देती है। एक तकनीक, जिसे 'प्लानर लेजर-इंड्यूस्ड फ्लोरेसेंस' (planar laser-induced fluorescence) कहा जाता है, एक हाई-स्पीड कैमरे की तरह काम करती है जो हाइड्रोजन को चमका देती है। हाइड्रोजन के साथ एक विशेष रासायनिक ट्रेसर की सूक्ष्म मात्रा मिलाकर, शोधकर्ता गैस के जेट के पूरे आकार को उसके चलते समय रोशन कर सके। इसने उन्हें गैस के बादल का एक सुंदर, द्वि-आयामी दृश्य दिया, जिससे पता चला कि वह कहाँ घना और कहाँ पतला था। हालाँकि, केवल इस चमकती हुई छवि से वे मौजूद ईंधन की सटीक मात्रा नहीं बता सकते थे; यह एक बादल को देखने जैसा था लेकिन यह नहीं पता था कि उसमें कितना पानी है।

इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने एक दूसरा उपकरण जोड़ा: 'लेजर-इंड्यूस्ड ब्रेकडाउन स्पेक्ट्रोस्कोपी' (laser-induced breakdown spectroscopy)। यह विधि एक सूक्ष्म प्रोब (जांच उपकरण) की तरह काम करती है। एक विस्तृत चित्र लेने के बजाय, यह गैस जेट के भीतर एक एकल, अत्यंत सूक्ष्म बिंदु पर एक शक्तिशाली, केंद्रित लेजर बीम दागती है। ऊर्जा का यह छोटा सा विस्फोट प्लाज्मा का एक स्पार्क (चिंगरा) पैदा करता है, जो पदार्थ की एक अति-गर्म अवस्था है, जो प्रकाश उत्सर्जित करती है। इस प्रकाश के रंगों का विश्लेषण करके, शोधकर्ता उस विशिष्ट स्थान पर हवा के अनुपात में हाइड्रोजन की सटीक मात्रा को माप सके। यह एक सटीक माप था, लेकिन यह एक बार में केवल एक ही बिंदु को कवर करता था। पहले उपकरण से प्राप्त व्यापक, चमकती छवियों को दूसरे उपकरण के सटीक बिंदु-मापों के साथ कैलिब्रेट करके, शोधकर्ता अंततः उस पूरी चमकती हुई तस्वीर को एक मात्रात्मक मानचित्र में बदलने में सफल रहे। अब वे न केवल जेट के आकार को देख सकते थे, बल्कि उसके प्रत्येक बिंदु पर ईंधन की सटीक सांद्रता भी देख सकते थे।

प्रयोग एक मजबूत, पारदर्शी दीवारों वाले चैंबर में किए गए थे जो इंजन में पाए जाने वाले वायु दबाव का अनुकरण करने के लिए नाइट्रोजन गैस से भरा था। हाइड्रोजन को 4 मेगापास्कल के दबाव पर 500 माइक्रोसेकंड की अवधि के लिए इंजेक्ट किया गया था, एक ऐसा समय अंतराल जो दस लाखवें सेकंड में मापा जाता है। जैसे ही हाइड्रोजन बाहर निकला, शोधकर्ताओं ने इसके तीन अलग-अलग चरणों में विकसित होने का अवलोकन किया। बिल्कुल शुरुआत में, जेट एक ठोस धारा की तरह नहीं दिखा। इसके बजाय, यह एक खोखले शंकु (hollow cone) के रूप में बाहर निकला, जिसमें ईंधन बाहरी किनारों पर केंद्रित था और बीच में अपेक्षाकृत खाली स्थान था। यह प्रारंभिक आकार पूरी तरह से नोजल के डिज़ाइन द्वारा निर्धारित था।

जैसे-जैसे जेट आगे बढ़ता गया, भौतिकी बदल गई। गैस का अगला हिस्सा अपने ऊपर ही मुड़ने लगा, जिससे एक भंवर (vortex) बन गया, ठीक वैसा ही जैसा पानी के टब से पानी निकलते समय देखा जाने वाला घूमता हुआ मोशन होता है। इस घूमते हुए मोशन ने एक वैक्यूम की तरह काम किया, जिसने ईंधन को बाहरी किनारों से जेट के केंद्र और सामने की ओर खींचा। इसने जेट के सिरे पर ईंधन-समृद्ध गैस की जेबें बना दीं, जबकि इसके पीछे के हिस्से पतले हो गए। इस चरण ने दिखाया कि कैसे गैस की गति स्वयं ईंधन को केंद्रित कर सकती है, जिससे समृद्ध स्थान बनते हैं जो प्रज्वलन (ignition) के लिए महत्वपूर्ण होते हैं।

एक बार इंजेक्शन रुक जाने के बाद, जेट केवल गायब नहीं हुआ। गैस के संवेग (momentum) ने इसे आगे की ओर धकेलता रहा, जिससे बादल एक लंबे, पतile प्लूम (plume) में खिंच गया। इस अंतिम चरण के दौरान, आसपास की गैस के साथ मिश्रित होने के कारण ईंधन तेजी से पतला होता गया, जो केंद्र रेखा (centerline) के साथ फैलता गया। शोधकर्ताओं ने एक छोटी, अप्रत्याशित घटना को भी देखा। मुख्य इंजेक्शन समाप्त होने के तुरंत बाद, नोजल के पास हाइड्रोजन का एक छोटा, द्वितीयक विस्फोट दिखाई दिया। यह संभवतः इंजेक्टर के अंदर मौजूद मैकेनिकल सुई (needle) के पूरी तरह बंद होने से पहले थोड़ा पीछे उछलने के कारण हुआ था। हालांकि छोटा था, लेकिन इस अतिरिक्त विस्फोट ने ईंधन की एक केंद्रित जेब बनाई जो मुख्य बादल से अलग होकर नीचे की ओर चली गई।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि हाइड्रोजन जेट का व्यवहार कोई एक स्थिर प्रक्रिया नहीं है, बल्कि नोजल के आकार, गैस के घूमने वाले मोशन और इंजेक्शन के संवेग द्वारा संचालित घटनाओं का एक जटिल क्रम है। नई संयुक्त विधि ने सिद्ध किया कि इन परिवर्तनों को उच्च सटीकता के साथ मापना संभव है, जो इंजीनियरों द्वारा उपयोग किए जाने वाले कंप्यूटर मॉडल की जांच करने का एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है। यह समझ कि ईंधन कैसे मिश्रित होता है और समृद्ध जेबें कहाँ बनती हैं, डिजाइनरों को इंजेक्शन रणनीति को बेहतर ढंग से नियंत्रित करने में मदद कर सकती है। यह ज्ञान उन इंजनों के निर्माण के लिए आवश्यक है जो हाइड्रोजन पर कुशलतापूर्वक चल सकें, यह सुनिश्चित करते हुए कि ईंधन सही समय और सही स्थान पर जलने के लिए तैयार हो, बिना बैकफायर या ऊर्जा की बर्बादी के जोखिम के। यह कार्य एक ऐसी तकनीक के लिए स्पष्ट, डेटा-संचालित मार्ग प्रदान करता है जो भारी परिवहन क्षेत्र को कार्बन उत्सर्जन के बिना शक्ति देने में मदद कर सकती है।