Aircraft’ Smart Fuel to Avoid Big Explosion

Before embarking on a transcontinental journey, jet airplanes fill up with tens of thousands of gallons of fuel. In the event of a crash, such large quantities of fuel increase the severity of an explosion upon impact. Researchers at Caltech and JPL have discovered a polymeric fuel additive that can reduce the intensity of post-impact explosions that occur during accidents and terrorist acts. Furthermore, preliminary results show that the additive can provide this benefit without adversely affecting fuel performance.	Antes de embarcar em uma viagem transcontinental, aviões são abastecidos com dezenas de milhares de galões de combustível. No caso de um acidente, essas grandes quantidades de combustível aumentam a severidade de uma explosão em caso de impacto. Pesquisadores no Caltech e JPL descobriram um aditivo polimérico para combustível que pode reduzir a intensidade das explosões após o impacto que ocorrem durante acidentes e atos terroristas. Além disso, os resultados preliminares mostram que o aditivo pode fornecer esse benefício sem afetar negativamente o desempenho do combustível.
When an impact occurs, the supramolecules spring into action. The supramolecules spend most of their time coiled up in a compact conformation. When there is a sudden elongation of the fluid, however, the polymer molecules stretch out and resist further elongation. This stretching allows them to inhibit the breakup of droplets under impact conditions—thus reducing the size of explosions—as well as to reduce turbulence in pipelines.	Quando ocorre um impacto, as supramoleculas entrar em ação. As supramoleculas passam a maior parte de tempo delas enroladas em uma conformação compacta. Quando há um alongamento repentino do fluido, no entanto, as moléculas de polímero esticam-se e resistem a alongamento adicional. Esse alongamento as permite inibir a separação de gotículas sob condições de impacto — assim reduzindo o tamanho das explosões —, bem como reduzir a turbulência em tubulações.
Jet engines compress air and combine it with a fine spray of jet fuel. Ignition of the mixture of air and jet fuel by an electric spark triggers a controlled explosion that thrusts the plane forward. Jet airplanes are powered by thousands of these tiny explosions. However, the process that distributes the spray of fuel for ignition—known as misting—also causes fuel to rapidly disperse and easily catch fire in the event of an impact.	Motores à jato comprimem o ar e o combina com um fino borrifo de combustível de jato. A ignição da mistura de ar e combustível de jato por uma faísca elétrica desencadeia uma explosão controlada que empurra o avião para frente. Aviões à jato são alimentados por milhares dessas pequenas explosões. No entanto, o processo que distribui o borrifo de combustível para ignição — conhecido como névoa — também faz com que o combustível disperse-se rapidamente e facilmente pegue fogo em caso de colisão.

 

In Tenerife in 1977, 583 people died in a fireball that erupted as one Boeing 747 tried to take off while another was on the runway. The collision would have been survivable, says Julia Kornfield from California Institute of Technology in Pasadena, but for a killer mist of burning aviation fuel.

Em 1977 em Tenerife, 583 pessoas morreram em uma bola de fogo que explodiu quando um Boeing 747 tentava decolar enquanto outro estava na pista. A colisão teria sido evitada, diz Julia Kornfield do California Institute of Technology em Pasadena, menos para uma névoa assassina de queima de combustível de aviação.   Julia A. Kornfield Professor of Chemical Engineering B.S., Chemistry, California Institute of Technology, 1983; M.S., Chemical Engineering, California Institute of Technology, 1984; Ph.D., Chemical Engineering, Stanford University, 1988 Office Location: 231 Spalding  Mail Code: 210-41  Phone: (626) 395-4138 Fax: (626) 568-8743

Now, Kornfield’s team hopes to minimise damage from such tragedies using self-assembling ‘megasupramolecule’ additives that ensure that fuel mists burn cooler and for less time. They might even have helped in the 11 September World Trade Center attacks – the only aviation disaster worse than Tenerife. Megasupramolecules might have mitigated the initial explosion that blew out windows and allowed a fire hot enough to soften steel, Kornfield speculates.

Agora, a equipe de Kornfield espera minimizar os danos de tais tragédias usando aditivos de 'megasupramoleculas' de automontagem que asseguram que névoas de combustível queimam mais frias e em menos tempo. Eles poderiam até mesmo ter ajudado nos ataques de 11 de Setembro ao World Trade Center – o único desastre de aviação pior do que o de Tenerife. As megasupramoleculas poderiam ter atenuado a explosão inicial que soprou para fora as janelas e permitiu um fogo quente o suficiente para amolecer o aço, Kornfield especula.

The propagation of flame in post-impact fuel mist of jet fuel treated with ultra long polymers (top) and with megasupramolecules (bottom) © Caltech/JPL

A propagação da chama em névoa de combustível após o impacto do combustível de jato, tratado com polímeros ultralonga (topo) e megasupramoleculas (baixo)

After Tenerife, scientists developed ‘antimisting kerosene’ by adding long-chain polymer molecules to absorb energy from the collision, stopping fuel droplets breaking up into a fine mist. Larger drops release energy more slowly, leading to relatively cool, short-lived fires. However, the FM-9 polymer added broke down as it was pumped, progressively reducing its effectiveness. And after a 1984 test where the press broadcast footage of an aircraft engulfed in flames, the idea’s popularity dwindled.

Depois de Tenerife, cientistas desenvolveram 'querosene antinévoa' ao adicionar moléculas de polímero de cadeia longa para absorverem a energia da colisão, interrompendo a quebra das gotículas de combustível em névoa fina. As gotas maiores liberam energia mais lentamente, conduzindo a incêndios relativamente frios e de curta duração. No entanto, o polímero FM-9 adicionado quebrou quando ele foi bombeado, progressivamente reduzindo sua eficácia. E após um teste de 1984, onde a imprensa transmite imagens de uma aeronave envolvida pelas chamas, a popularidade da ideia diminuiu.

Kornfield was still interested in the concept though, but the problem of polymer breakdown still had to be overcome. ‘The eureka moment came in 2006,’ she explains, ‘when Ameri David, my graduate student, used a theoretical model to design molecules that dynamically link to form ultra-long polymers.’ Unlike covalent polymer bonds that break permanently under pumping conditions, supramolecules, which link smaller segments via non-covalent interactions such as hydrogen bonds, could later reform. And on their own the smaller molecules could survive repeated pumping and allow fuel to pass easily through filters.

Kornfield ainda estava interessada no conceito ao todo, mas o problema de degradação do polímero ainda teve de ser superado. 'O momento eureka veio em 2006,' ela explica, 'quando Ameri David, meu aluno de graduação, usou um modelo teórico para projetar moléculas que dinamicamente ligam-se para formar polímeros ultralongos. 'Ao contrário de ligações covalentes de polímeros que se rompem permanentemente sob condições de bombeamento, as supramoleculas, as quais ligam segmentos menores através de interações não-covalentes, tais como pontes de hidrogênio, poderiam mais tarde reformarem-se. E por conta própria as moléculas menores poderiam sobreviver repetidos bombeamentos e permitir o combustível passar facilmente através de filtros.

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Fire control	Controle de Fogo
In tests, the researchers fired a projectile at 140 miles per hour at a fuel container and placed three lit propane torches in the resulting mist’s path. The megasupramolecule fuel controlled misting both before and after being subjected to pumping forces.	Nos testes, os pesquisadores dispararam um projétil a 225 Km/h em um recipiente de combustível e colocaram três tochas de propano acesas na trajetória da névoa resultante. A megasupramolecula de combustível controlou ambas névoas antes e depois de ser submetida a forças de bombeamento.
While the tests published in this paper only involved a single barrel of fuel, Wei is progressing well with scale-up, partially funded by chemical giant Dow, Kornfield adds. ‘It looks like it will be in a condition to be produced on a scale of kilos per day in less than a year,’ she says. Kornfield estimates that including the new additives will add $0.06 per gallon (£0.01 per liter) to the price of fuel. She hopes for approval to use them in diesel for road vehicles within two years, though for jet fuel approval can take five to seven years.	Enquanto os testes publicados neste trabalho envolveram apenas um único barril de combustível, Wei está progredindo bem com escalonamento, parcialmente financiado pela gigante Dow Química, Kornfield adiciona. 'Parece que vai ser em uma condição de ser produzido em uma escala de quilos por dia em menos de um ano, ' ela diz. Kornfield estima que incluindo os novos aditivos adicionará $0,06 por galão (£0,01 por litro) [R$ 0,0597] ao preço do combustível. Ela espera pela aprovação para usá-los em diesel para veículos de estrada dentro de dois anos, embora para combustível de aeronave à jato a aprovação pode levar de cinco a sete anos.