Há mais de 150 anos, as conservadoras velas de ignição têm sido as responsáveis pela queima do combustível nos motores de combustão interna, que equipam carros, motos, barcos e uma infinidade de aplicações estacionárias. Mas parece que finalmente as montadoras estão próximas de viabilizar a substituição das velas de ignição pela ignição a laser, o que permitirá uma queima do combustível mais limpa e mais eficiente e, portanto, veículos mais econômicos.
Ignição a laser
A ideia de substituir a vela por raios laser não é nova. Mas lasers potentes o suficiente para inflamar a mistura ar-combustível de um motor eram grandes demais para caber sob o capô de um automóvel. A tecnologia requer o uso de lasers pulsados com altas energias. Como acontece com a vela, uma grande quantidade de energia é necessária para produzir a ignição do combustível.
"No passado, lasers que poderiam atender a esses requisitos eram limitados à pesquisa básica, porque eram grandes, ineficientes e instáveis", explica Takunori Taira, do Instituto Nacional de Ciências Naturais, no Japão. "Também não podiam ser localizados longe do motor, porque seus raios poderosos destruiriam quaisquer fibras ópticas que levassem a luz até os cilindros". Em 2009, engenheiros norte-americanos conseguiram construir uma vela de ignição a laser que funciona em motores a gás, mas o dispositivo ainda não está em fase de desenvolvimento. Agora, a equipe de Taira desenvolveu um laser de cerâmica que é potente e robusto o suficiente para funcionar próximo ao motor dos carros. O uso da cerâmica também torna o dispositivo barato.
Laser cerâmico
Os lasers prometem menos poluição e maior eficiência de combustível - mas fabricar lasers potentes e pequenos vinha se mostrando uma tarefa difícil até agora. Para disparar a combustão, o laser deve focalizar a luz com uma potência de cerca de 100 gigawatts por centímetro quadrado, com pulsos curtos de não mais do que 10 milijoules cada um. A equipe de Taira superou este problema criando lasers de pós cerâmicos. A equipe aquece o pó até fundi-lo em sólidos opticamente transparentes, incorporando íons metálicos para ajustar suas propriedades.
As cerâmicas são mais fáceis de se ajustar opticamente do que os cristais convencionais. Elas também são muito mais fortes, mais duráveis e termicamente condutoras - isto é importante para que dissipem o calor do motor sem trincar e quebrar.
Laser automotivo
A equipe de Taira construiu seu laser usando dois segmentos de uma liga de ítrio- alumínio-gálio, um deles dopado com neodímio e o outro com cromo. As duas seções foram coladas para formar um potente laser cerâmico com apenas 9 milímetros de diâmetro e 11 milímetros de comprimento. O dispositivo gera dois feixes de laser que podem queimar o combustível em dois locais distintos no interior do cilindro ao mesmo tempo. Isso produz uma parede de chamas que cresce mais rápido e mais uniformemente do que uma gerada por um único laser.
O laser não é forte o suficiente para incendiar uma mistura de combustível mais pobre com um único pulso, o que é feito usando vários pulsos de 800 picossegundos cada um, o que injeta no cilindro energia suficiente para inflamar completamente a mistura. Um motor de automóvel comum exige uma frequência de pulsos de 60 Hz. Os pesquisadores japoneses já testaram seu laser cerâmico automotivo a até 100 Hz. A equipe também está trabalhando em uma versão de três feixes de laser, que permitirá uma combustão ainda mais rápida e mais uniforme.
Motores mais limpos
Segundo Taira, as velas de ignição convencionais representam uma barreira para melhorar a economia de combustível e reduzir as emissões de óxidos de nitrogênio (NOx), um dos componentes mais danosos da emissão veicular. As velas de ignição usam altas tensões para gerar faíscas elétricas através de uma abertura entre dois eletrodos de metal. A faísca incendeia a mistura ar-combustível no cilindro do motor, produzindo uma explosão controlada, que força o pistão para baixo, até o fundo do cilindro, gerando a potência necessária para movimentar o veículo.
A redução na emissão dos NOx exige o uso de uma mistura ar-combustível mais pobre - mais ar do que combustível. Isso, contudo, exige tensões ainda mais elevadas nas velas de ignição, o que destrói o metal de que são feitas. Por outro lado, os lasers, que queimam a mistura ar-combustível com energia óptica concentrada, não têm eletrodos. Por isso eles não se desgastam com a elevação da tensão necessária para viabilizar os motores mais limpos.
Motores mais eficientes
Já os lasers podem concentrar os seus raios diretamente no centro da mistura. Sem atenuação, a frente da chama se expande mais simetricamente e com uma velocidade até três vezes maior do que a velocidade da chama produzida por velas. Igualmente importante, salienta o pesquisador, os lasers injetam sua energia em questão de nanossegundos, contra os milissegundos das velas de ignição. "O timing, a velocidade da combustão, é muito importante. Quanto mais precisa a temporização, mais eficiente será a combustão e maior será a economia de combustível," diz ele.
