Eksperyment przeprowadzony na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przyniósł nieoczekiwane rezultaty - otwarty płomień zachowywał się zupełnie inaczej, niż oczekiwali naukowcy.
Jak lubią mawiać niektórzy naukowcy, ogień jest najstarszym i najbardziej udanym eksperymentem chemicznym ludzkości. Rzeczywiście, ogień zawsze odchodził z ludzkością: od pierwszych ognisk, na których smażono mięso, do płomienia silnika rakietowego, który sprowadził człowieka na Księżyc. Ogień jest w zasadzie symbolem i narzędziem postępu naszej cywilizacji.
Dr Forman A. Williams, profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, ma długą historię badań nad płomieniami. Ogień jest zwykle złożonym procesem składającym się z tysięcy wzajemnie powiązanych reakcji chemicznych. Na przykład w płomieniu świecy cząsteczki węglowodorów wyparowują z knota, rozkładają się pod wpływem ciepła i łączą się z tlenem, wytwarzając światło, ciepło, CO2 i wodę. Niektóre cząsteczki węglowodorowe w postaci pierścieniowych cząsteczek, zwane wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi, tworzą sadzę, która również może się palić lub zamieniać w dym. Znajomy kształt łzy światła świecy jest nadawany przez grawitację i konwekcję: gorące powietrze unosi się w górę i wciąga do płomienia świeże, zimne powietrze, tym samym ciągnąc płomień do góry.
Okazuje się jednak, że w stanie nieważkości wszystko dzieje się inaczej. W eksperymencie zwanym FLEX naukowcy badali pożar na pokładzie ISS, aby opracować technologie gaszenia pożarów w stanie nieważkości. Naukowcy zapalili małe bąbelki heptanu w specjalnej komorze i obserwowali, jak zachowują się płomienie.
Naukowcy mają do czynienia z dziwnym zjawiskiem. W mikrograwitacji płomień pali się inaczej; tworzy małe kulki. Zjawisko to było oczekiwane, ponieważ w przeciwieństwie do płomienia na Ziemi, przy zerowej grawitacji tlen i paliwo spotykają się w cienkiej warstwie na powierzchni kuli. Jest to prosty schemat, różniący się od ziemskiego ognia. Odkryto jednak osobliwość: naukowcy zaobserwowali ciągłe palenie się kul ognistych, nawet po tym, jak według wszystkich obliczeń spalanie powinno było zostać zatrzymane. W tym samym czasie ogień przeszedł w tzw. Fazę zimną - spłonął bardzo słabo, do tego stopnia, że płomienia nie było widać. Jednak płonęło, a płomień mógł natychmiast wybuchnąć z dużą siłą w kontakcie z paliwem i tlenem.
Zwykle widoczny ogień płonie w wysokich temperaturach od 1227 do 1727 stopni Celsjusza. Pęcherzyki heptanu na ISS również płonęły jasno w tej temperaturze, ale gdy paliwo wyczerpało się i ostygło, zaczęło się zupełnie inne spalanie - na zimno. Odbywa się w stosunkowo niskiej temperaturze 227-527 stopni Celsjusza i nie wytwarza sadzy, CO2 i wody, ale bardziej toksyczny tlenek węgla i formaldehyd.
Podobne rodzaje zimnych płomieni były reprodukowane w laboratoriach na Ziemi, ale w warunkach grawitacji sam taki ogień jest niestabilny i zawsze szybko gaśnie. Jednak na ISS zimny płomień może palić się stale przez kilka minut. Nie jest to zbyt przyjemne odkrycie, ponieważ zimny ogień stwarza zwiększone zagrożenie: łatwiej się zapala, w tym spontanicznie, trudniej jest go wykryć, a ponadto uwalnia więcej toksycznych substancji. Z drugiej strony odkrycie może znaleźć praktyczne zastosowanie np. W technologii HCCI, która polega na zapalaniu paliwa w silnikach benzynowych nie od świec, ale od zimnego płomienia.
Film promocyjny:
To zdjęcie zostało zrobione podczas eksperymentu mającego na celu zbadanie fizyki spalania w specjalnej 30-metrowej wieży (2,2-Second Drop Tower) w John Glenn Research Center (Glenn Research Center), stworzonej w celu symulacji warunków mikrograwitacji podczas swobodnego spadania. Wiele eksperymentów, które następnie przeprowadzono na statku kosmicznym, zostało wstępnie przetestowanych w tej wieży, dlatego nazywa się ją „bramą do kosmosu”.
Kulisty kształt płomienia tłumaczy się tym, że w warunkach zerowej grawitacji nie ma wznoszącego ruchu powietrza i nie występuje konwekcja jego ciepłych i zimnych warstw, która na Ziemi „ciągnie” płomień w kształt kropli. Płomień do spalania nie ma wystarczającej ilości świeżego powietrza zawierającego tlen i okazuje się, że jest mniejszy i nie tak gorący. Znany nam na Ziemi żółtopomarańczowy kolor płomienia jest spowodowany przez blask cząstek sadzy, które unoszą się w górę wraz z gorącym strumieniem powietrza. W stanie zerowej grawitacji płomień nabiera niebieskiego koloru, ponieważ tworzy się niewielka ilość sadzy (wymaga to temperatury powyżej 1000 ° C), a sadza, czyli ze względu na niższą temperaturę, będzie świecić tylko w zakresie podczerwieni. Na górnym zdjęciu w płomieniu nadal występuje żółto-pomarańczowy kolor, ponieważ wczesny etap zapłonu jest wychwytywany, gdy jest jeszcze wystarczająca ilość tlenu.
Badania spalania w stanie nieważkości są szczególnie ważne dla zapewnienia bezpieczeństwa statku kosmicznego. Od kilku lat eksperymenty z gaszeniem płomienia (FLEX) są przeprowadzane w specjalnym przedziale na pokładzie ISS. Badacze zapalają małe kropelki paliwa (takie jak heptan i metanol) w kontrolowanej atmosferze. Mała kula paliwa pali się przez około 20 sekund, otoczona kulą ognia o średnicy 2,5–4 mm, po czym kropla maleje do zgaśnięcia płomienia lub wyczerpania się paliwa. Najbardziej nieoczekiwanym skutkiem było to, że kropla heptanu po widocznym spaleniu przeszła w tzw. „Fazę zimną” - płomień stał się tak słaby, że nie można go było zobaczyć. A jednak płonęło: ogień mógł natychmiast wybuchnąć podczas interakcji z tlenem lub paliwem.
Jak wyjaśniają naukowcy, podczas normalnego spalania temperatura płomienia oscyluje między 1227 ° C a 1727 ° C - w tej temperaturze w eksperymencie był widoczny ogień. W miarę spalania paliwa rozpoczęło się „spalanie na zimno”: płomień ochłodził się do 227–527 ° C i wytworzył nie sadzę, dwutlenek węgla i wodę, ale bardziej toksyczne materiały - formaldehyd i tlenek węgla. Eksperyment FLEX wybrał również najmniej łatwopalną atmosferę opartą na dwutlenku węgla i helu, co pomoże zmniejszyć ryzyko pożarów statków kosmicznych w przyszłości.