Poskus, izveden na Mednarodni vesoljski postaji, je dal nepričakovane rezultate - odprti plamen se je obnašal povsem drugače, kot so znanstveniki pričakovali.
Kot nekateri znanstveniki radi rečejo, je ogenj najstarejši in najuspešnejši kemični poskus človeštva. Dejansko je ogenj že od nekdaj šel s človeštvom: od prvih kresov, na katerih je bilo ocvrto meso, do plamena raketnega motorja, ki je človeka pripeljal na Luno. Na splošno je ogenj simbol in instrument napredka naše civilizacije.
Dr Forman A. Williams, profesor fizike na kalifornijski univerzi v San Diegu, ima dolgo zgodovino raziskovanja plamenov. Ogenj je običajno zapleten postopek tisočih medsebojno povezanih kemičnih reakcij. Na primer, v plamenu sveče molekule ogljikovodika izhlapijo iz stenja, razpadejo, ko so izpostavljeni toploti, in se združujejo s kisikom, da nastanejo svetloba, toplota, CO2 in voda. Nekateri ogljikovodični delci v obliki obročastih molekul, imenovanih policiklični aromatski ogljikovodiki, tvorijo saje, ki lahko tudi gorijo ali se spremenijo v dim. Znana solzna oblika svetlobe sveč je izražena z gravitacijo in konvekcijo: vroč zrak se dviga navzgor in v plamen potegne svež hladen zrak, s čimer plamen potegne navzgor.
A izkaže se, da se v ničelni gravitaciji vse zgodi drugače. V poskusu, imenovanem FLEX, so znanstveniki preučevali požar na ISS, da bi razvili tehnologije za gašenje požarov z ničelno gravitacijo. Raziskovalci so v posebni komori vžgali majhne mehurčke heptana in opazovali, kako se plameni obnašajo.
Znanstveniki se soočajo s čudnim pojavom. V mikrogravitaciji plamen gori drugače, tvori majhne kroglice. Ta pojav je bil pričakovan, ker se za razliko od plamena na Zemlji kisik in gorivo v ničelni gravitaciji v površini krogle srečujeta v tanki plasti. To je preprosta shema, ki se razlikuje od zemeljskega ognja. Vendar je bila odkrita nenavada: znanstveniki so opazovali nenehno kurjenje ognjene krogle tudi potem, ko naj bi po vseh izračunih zgorevanje prenehalo. Ogenj je hkrati prešel v tako imenovano hladno fazo - gorelo je zelo šibko, toliko, da plamena ni bilo mogoče videti. Vendar je gorelo in plamen je ob stiku z gorivom in kisikom lahko takoj izbruhnil z veliko silo.
Običajno vidni ogenj gori pri visokih temperaturah med 1227 in 1727 stopinj Celzija. Tudi mehurčki heptana na ISS so pri tej temperaturi močno goreli, a ko se je gorivo izčrpavalo in hladilo, se je začelo povsem drugače zgorevanje - hladno. Poteka pri razmeroma nizki temperaturi 227-527 stopinj Celzija in ne proizvaja saje, CO2 in vode, temveč bolj strupenega ogljikovega monoksida in formaldehida.
Podobne vrste hladnega plamena so se reproducirali v laboratorijih na Zemlji, vendar je v težnih pogojih takšen požar sam nestabilen in vedno hitro izgine. Na ISS-u pa lahko hladen plamen neprestano gori nekaj minut. To ni zelo prijetno odkritje, saj hladni ogenj predstavlja povečano nevarnost: vname se lažje, tudi spontano, težje ga je zaznati in poleg tega sprošča več strupenih snovi. Po drugi strani pa lahko odkritje najde praktično uporabo na primer v tehnologiji HCCI, ki vključuje vžig goriva v bencinskih motorjih ne iz sveč, temveč iz hladnega plamena.
Promocijski video:
Ta slika je bila posneta med poskusom, ki je proučeval fiziko zgorevanja v posebnem 30-metrskem stolpu (2,2-sekundni stolp) raziskovalnega centra John Glenn (Glenn Research Center), ki je bil ustvarjen za simulacijo pogojev mikrogravitacije v prostem padu. Številni poskusi, ki so bili nato izvedeni na vesoljskih plovilih, so bili predhodno preizkušeni v tem stolpu, zato se imenuje "prehod v vesolje".
Sferično obliko plamena razlaga dejstvo, da pod ničelnimi gravitacijskimi pogoji ni gibanja vzpona zraka in ne pride do konvekcije njegovih toplih in hladnih plasti, kar na Zemlji "potegne" plamen v kapljico. Plamen za zgorevanje nima dovolj svežega zraka, ki vsebuje kisik, in izkaže se, da je manjši in ne tako vroč. Rumeno-oranžna barva plamena, ki nam je znan na Zemlji, povzroča sijaj delcev saje, ki se dvigajo navzgor z vročim tokom zraka. V ničelni gravitaciji plamen pridobi modro barvo, ker se tvori malo saje (za to je potrebna temperatura več kot 1000 ° C), saj bodo saje, ki bodo zaradi nižje temperature žarele le v infrardečem območju. Na zgornji fotografiji je v plamenu še vedno prisotna rumeno-oranžna barva, saj se zgodnja faza vžiga zajame, ko je še dovolj kisika.
Raziskave zgorevanja v ničelni gravitaciji so še posebej pomembne za zagotavljanje varnosti vesoljskih plovil. Že nekaj let se v posebnem oddelku na ladji ISS izvajajo poskusi za gašenje plamena (FLEX). Raziskovalci v kontrolirani atmosferi vžgejo majhne kapljice goriva (na primer heptana in metanola). Približno 20 sekund gori majhna kroglica goriva, obdana z ognjeno kroglo s premerom 2,5–4 mm, nakar se kapljica zmanjša, dokler ne plamen ugasne ali gorivo ne zmanjka. Najbolj nepričakovan rezultat je bil, da je kapljica heptana po vidnem zgorevanju prešla v tako imenovano "hladno fazo" - plamen je postal tako šibek, da ga ni bilo mogoče videti. Pa vendar je gorelo: ogenj lahko takoj izbruhne ob interakciji s kisikom ali gorivom.
Kot pojasnjujejo raziskovalci, med običajnim zgorevanjem temperatura plamena niha med 1227 ° C in 1727 ° C - pri tej temperaturi v poskusu je bil viden ogenj. Ko je gorivo gorelo, se je začelo „hladno izgorevanje“: plamen se je ohladil na 227–527 ° C in ni povzročil saje, ogljikovega dioksida in vode, temveč strupenejše snovi - formaldehid in ogljikov monoksid. Eksperiment FLEX je izbral tudi najmanj vnetljivo ozračje na osnovi ogljikovega dioksida in helija, kar bo pomagalo zmanjšati tveganje za požare vesoljskih plovil v prihodnosti.