Motor a jato muito quente? Agende uma ressonância magnética

A imagem por ressonância magnética (MRI), uma tecnologia de imagem médica usada para imagens de órgãos e tecidos moles, pode ser a chave para melhorar a eficiência dos motores a jato, de acordo com o tenente-coronel Michael Benson, um Ph.D. estudante de Engenharia Mecânica na Stanford University.

Em apenas algumas horas, uma ressonância magnética coleta tantos dados tridimensionais sobre o fluxo e a mistura quanto os métodos convencionais que levam dois ou mais anos de medições intensivas. Isso promete reduzir o tempo necessário para desenvolver e testar novos projetos que melhorem a eficiência e o desempenho, prometendo economia de energia.

Benson está usando ressonâncias magnéticas para melhorar a eficiência do motor a jato - trabalho que ele descreveu em 17 de novembro na reunião da American Physical Society of Fluid Dynamics (DFD) em Long Beach, Califórnia. A técnica também pode fornecer informações sobre outros problemas de mistura de fluidos, que vão desde a combustão até o fluxo de óleo através de rocha porosa em um poço.

O estudo de Benson é um dos primeiros a usar uma ressonância magnética para coletar dados de fluxo. A técnica foi iniciada pelos pesquisadores de Stanford, Christopher Elkins e John Eaton, que a usaram para estudar colônias de corais e lâminas de turbinas. Eaton sugeriu que Benson, atualmente no Exército, use a técnica para analisar a mistura de gases de combustão quente e resfriamento em turbinas a jato.

Os motores a jato são mais eficientes quando esquentam mais. Na verdade, as lâminas logo abaixo do combustor do motor funcionam muito perto de seu ponto de fusão. Para maximizar a eficiência, as bordas traseiras dessas lâminas são muito finas.

"Se você não resfriá-los ativamente, eles derretem", disse Benson.

Os motores de turbina resfriam as lâminas desviando um pouco do ar que entra em uma série de passagens semelhantes a cobras que passam por cada lâmina.

“Em algum ponto, as lâminas se tornam muito finas para fazer isso, então eles arrancam um pouco de pele na extremidade da lâmina e deixam o ar correr pela borda de fuga”, disse Benson.

Quando o ar mais frio sai da lâmina, ele se mistura com o ar quente do combustor, aumentando a temperatura da superfície da lâmina acima da temperatura do líquido de arrefecimento. Ao analisar como o ar quente e o de derivação se misturam, Benson espera otimizar o projeto de derivação e reduzir a quantidade necessária de refrigerante. Isso aumentaria o desempenho do motor e a eficiência do combustível.

Esse tipo de análise começa medindo a temperatura e a velocidade das correntes de ar quente e de desvio à medida que se misturam. Os pesquisadores fazem isso liberando pequenas partículas, como corantes fluorescentes ou gotículas de óleo, e atingindo-as com um laser. Isso ilumina as partículas, cujas posições são capturadas por uma câmera de alta velocidade. Um computador então analisa as imagens e calcula a localização e a velocidade das partículas.

Infelizmente, as câmeras capturam apenas uma pequena área, ou ladrilho, por vez. Eles também têm uma profundidade de campo muito estreita, a faixa de distância em que as fotos são nítidas o suficiente para análise. Como resultado, todos os ladrilhos devem ser costurados juntos em uma imagem de um único plano. Para visualizar um experimento tridimensional, muitos planos precisam ser gerados e costurados.

Isso leva tempo. "Eu conheço um aluno de doutorado que passou três anos coletando esse tipo de dados", disse Benson.

A ressonância magnética captura a mesma quantidade de dados em quatro a oito horas, ele continuou. Isso ocorre porque as ressonâncias magnéticas são projetadas para gerar imagens de objetos tridimensionais. Eles fazem isso perturbando sistematicamente os prótons dentro das moléculas de hidrogênio com um pulso eletromagnético e medindo suas localizações à medida que se realinham rapidamente com o campo magnético.

Benson usa um imageador de ressonância magnética de grau de pesquisa para executar seus experimentos. A ressonância magnética faz imagens de água misturada com sulfato de cobre, um produto químico de baixo custo freqüentemente usado para matar algas em lagoas, que fornece uma resposta rápida aos pulsos.

“As ressonâncias magnéticas médicas costumam usar gadolínio como agente de contraste, mas isso é muito caro, especialmente se você estiver alimentando com fluido para um exame que dura horas”, disse Benson.

Embora Benson ainda esteja analisando os designs das bordas traseiras das lâminas, ele já fez progressos. "Já consigo aumentar o resfriamento da superfície em 10 por cento, o que equivale a uma redução da temperatura da lâmina de 100 a 150 graus Fahrenheit", disse ele.