Laserowy zapłon w samochodach
Japończycy stworzyli laserowy system zapłonowy dla samochodów, dzięki któremu nie tylko zaoszczędzimy benzynę, ale zmniejszymy też emisję tlenków azotu - głównego składnika smogu.
Nowy zapłon zbudowany jest z ceramiki, zatem można go tanio produkować w dużych ilościach. W obecnie stosowanym zapłonie iskrowym wykorzystuje się wysokie napięcie i iskrę przeskakującą pomiędzy dwoma elektrodami. Iskra zapala mieszankę paliwowo-powietrzną. Produktem spalania mieszanki są tlenki azotu. Można co prawda zmienić skład mieszanki tak, by do środowiska trafiało mniej NOx, jednak taka mieszanka zawiera mniej paliwa, a zatem do jej zapalenia konieczne jest wykorzystanie wyższego napięcia.
Niestety, iskry powstające dzięki wyższemu napięciu prowadzą do szybkiego zużywania się elektrod, cała konstrukcja jest zatem niepraktyczna. Tymczasem lasery, zapalające mieszankę dzięki skoncentrowanej energii optycznej, nie zawierają elektrod, zatem nie dochodzi do ich korozji.
Takunori Taira z japońskiego Narodowego Instytutu Nauk Naturalnych wymienia kolejną zaletę laserów. Urządzenia takie poprawiają też efektywność silnika. Konwencjonalne świece zapłonowe umieszczone są na cylindrach i zapalają mieszankę gdy ta zajdzie się blisko nich. Jednak zimne metalowe elektrody oraz ściany cylindra błyskawicznie absorbują ciepło powstałe podczas eksplozji mieszanki, tłumiąc płomień gdy tylko powstanie.
Taira mówi, że lasery można wycelować w środek mieszanki, zapalając ją od wewnątrz, dzięki czemu gazy będą rozprzestrzeniały się symetrycznie, a proces taki będzie przebiegał nawet trzykrotnie szybciej niż w konwencjonalnych rozwiązaniach. Ponadto lasery wyzwalają energię w ciągu nanosekund, podczas gdy świecom zajmuje to milisekundy. - Odpowiednie dobranie czasu i szybkie spalanie są bardzo ważne. Im bardziej precyzyjny wybór momentu zapłonu, tym bardziej efektywne spalanie i lepsza ekonomia silnika - mówi Taira.
Dotychczas zaprzęgnięcie laserów do tego typu zadania było niemożliwe, gdyż musiałyby one skupić światło o mocy około 100 gigawatów na centymetr kwadratowy i wysyłać je w krótkich impulsach o energii większej niż 10 milidżuli każdy. Takie wymagania spełniały duże ciężkie lasery z laboratoriów naukowych.
Japończycy poradzili sobie z tym problemem budując kompozytowy laser z ceramiki. Powstały one dzięki podgrzaniu ceramicznego proszku, przez co powstała przezroczysta struktura w której umieszczono jony metali.
Japońskie lasery zbudowane są z dwóch segmentów składających się z itru, aluminium i galu. Jeden z segmentów wzbogacono neodymem, a drugi chromem. Laser ma jedynie 9 milimetrów średnicy i 11 milimetrów długości. Emituje on dwie wiązki światła, które jednocześnie zapalają mieszankę w dwóch miejscach. Dzięki temu pali się ona szybciej i bardziej równomiernie niż mieszanka zapalana w jednym miejscu.
Zespół Tairy współpracuje obecnie z należącą do Toyoty DENSO Corporation. Celem współpracy jest stworzenie lasera emitującego trzy wiązki światła.
