Auflösung der Kohlenstoff-Stickstoff-Chemie in Ammoniak-Kohlenwasserstoff-Flammen mit Ultrabreitband-Elektronisch-Resonanz-Kohärent-Raman-Spektroskopie

• Antragsteller: Dr. Francesco Mazza
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561346319

Die Kohlenstoff-Stickstoff-Chemie (C-N) stellt eine große Herausforderung bei der genauen Modellierung der Verbrennung von Ammoniak in Mischungen mit Kohlenwasserstoffen dar, ein Bereich, der in letzter Zeit stark an Aufmerksamkeit gewonnen hat, da wir nach neuen kohlenstoffneutralen Energieträgern für die künftige Energieerzeugung suchen. Die komplexen und schlecht verstandenen Wechselwirkungen zwischen kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Spezies, insbesondere die Rolle des Cyanoradikals (CN) bei der Bildung von Stickoxiden (NOx), schränken unsere Fähigkeit ein, Schadstoffemissionen aus ammoniakbasierten Verbrennungssystemen genau vorherzusagen. Diese Einschränkung ist weitgehend auf das Fehlen fortschrittlicher optischer Diagnoseinstrumente zurückzuführen, die sowohl chemische Breitbanddetektionsmöglichkeiten als auch eine hohe Empfindlichkeit für Spurenstoffe bieten. Solche Instrumente sind für die gleichzeitige Messung der lokalen Temperatur und der Konzentrationen von Haupt- und Nebenspezies in der Flamme unerlässlich und geben Aufschluss über die Chemie der NOx-Bildung in Ammoniak-Kohlenwasserstoff-Gemischen. Diese Forschung zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch die Entwicklung und Anwendung einer innovativen Messtechnik, der „Ultrabreitbandigen-Elektronisch-Resonanzverstärkten-Kohärenten-Raman-Spektroskopie“ (UltraERE-CRS), zu bewältigen. UltraERE-CRS kombiniert die Stärken der ultrabreitbandigen kohärenten Raman-Spektroskopie (CRS) mit elektronischer Resonanzverstärkung, um sowohl eine genaue Thermometrie als auch einen breitbandigen chemischen Nachweis in Ammoniak/Methan-Flammen zu erreichen. Durch die Abstimmung der CRS-Technik auf die elektronische Resonanz des Cyanoradikals (CN) kann UltraERE-CRS diese kritische, aber schwer fassbare kleinere Spezies mit hoher Empfindlichkeit nachweisen. Dieser Ansatz ermöglicht die gleichzeitige Messung der lokalen Flammentemperatur, der Konzentrationen der Hauptspezies und den quantitativen Nachweis von CN innerhalb der Reaktionsschicht von Ammoniak/Kohlenwasserstoff-Flammen. Der Aufbau nutzt die Filamentierung eines leistungsstarken Femtosekundenlasers zur Anregung des gesamten Spektrums der interessierenden Spezies, gepaart mit einem abstimmbaren Nanosekunden-Farbstofflaser, der auf die elektronische Resonanz von CN abgestimmt ist, um dessen spektrale Signatur zu verstärken. Mit diesem neuartigen Diagnosewerkzeug werde ich die C-N-Chemie in der Reaktionsschicht laminarer vorgemischter Ammoniak/Methan-Flammen untersuchen, um neue Erkenntnisse über die Rolle des CN-Radikals bei der Bildung von NOx zu gewinnen und unser Verständnis der Schadstoffwege bei der Verbrennung von Ammoniak/Kohlenwasserstoff zu verbessern.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle