Eksperiment, proveden na međunarodnoj svemirskoj stanici, dao je neočekivane rezultate - otvoreni plamen ponašao se sasvim drugačije nego što su znanstvenici očekivali.
Kao što neki znanstvenici vole da kažu, vatra je najstariji i najuspješniji kemijski eksperiment čovječanstva. Doista, vatra je oduvijek išla s čovječanstvom: od prvih vatri na kojima se pržilo meso, do plamena raketnog motora koji je osobu doveo na Mjesec. Općenito, vatra je simbol i instrument napretka naše civilizacije.
Dr Forman A. Williams, profesor fizike na kalifornijskom sveučilištu u San Diegu, ima dugu povijest istraživanja plamena. Požar je obično složen proces tisuća međusobno povezanih kemijskih reakcija. Na primjer, u plamenu svijeće molekule ugljikovodika isparavaju iz fitilja, raspadaju se kada su izloženi toplini i kombiniraju se s kisikom kako bi se stvorila svjetlost, toplina, CO2 i voda. Neki dijelovi ugljikovodika u obliku molekula u obliku prstena, nazvani policiklički aromatski ugljikovodici, tvore čađu koja se također može sagorjeti ili pretvoriti u dim. Poznati oblik suzanja svijeće daje se gravitacijom i konvekcijom: vrući zrak se diže prema gore i uvlači svježi hladan zrak u plamen, povlačeći tako plamen prema gore.
Ali ispada da se u nultu gravitaciji sve događa drugačije. U eksperimentu nazvanom FLEX, znanstvenici su proučavali vatru na ISS-u kako bi razvili tehnologije za gašenje požara u gravitaciji nula. Istraživači su zapalili male mjehuriće heptana unutar posebne komore i promatrali kako se plamen ponaša.
Znanstvenici su suočeni sa neobičnom pojavom. U mikrogravitaciji plamen gori drugačije, stvara male kuglice. Ovaj fenomen je bio očekivan, jer se za razliku od plamena na Zemlji, u nultu gravitaciju, kisik i gorivo susreću u tankom sloju na površini kugle. To je jednostavna shema koja se razlikuje od zemaljske vatre. Međutim, otkrivena je neobičnost: znanstvenici su primijetili kontinuirano paljenje vatrenih kugli čak i nakon što je, prema svim proračunima, izgaranje trebalo prestati. Istovremeno je vatra prešla u takozvanu hladnu fazu - gorjela je vrlo slabo, toliko da se plamen nije mogao vidjeti. Međutim, gorio je, a plamen je mogao u trenutku snažno razbuktati na dodiru s gorivom i kisikom.
Obično vidljiva vatra gori na visokim temperaturama između 1227 i 1727 stupnjeva Celzija. Mjehurići heptana na ISS-u također su žarko gorili pri ovoj temperaturi, ali kako se gorivo trošilo i hladilo, počelo je potpuno drugačije izgaranje - hladno. Odvija se na relativno niskoj temperaturi od 227-527 stupnjeva Celzijusa i ne proizvodi čađ, CO2 i vodu, već otrovnije ugljični monoksid i formaldehid.
Slične vrste hladnog plamena reproducirane su u laboratorijima na Zemlji, ali u uvjetima gravitacije takav je požar nestabilan i uvijek brzo izumire. Na ISS-u, međutim, hladan plamen može neprekidno gorjeti nekoliko minuta. Ovo nije vrlo ugodno otkriće, budući da hladna vatra predstavlja povećanu opasnost: ona se lakše zapali, uključujući i spontano, teže je otkriti i, osim toga, oslobađa više otrovnih tvari. S druge strane, otkriće može naći praktičnu primjenu, na primjer, u tehnologiji HCCI, koja uključuje paljenje goriva u benzinskim motorima, ne od svijeća, već od hladnog plamena.
Promotivni video:
Ta je slika snimljena tijekom eksperimenta za proučavanje fizike izgaranja u posebnom 30-metarskom tornju (2,2-second Drop Tower) istraživačkog centra John Glenn (Glenn Research Center), stvorenom da simulira uvjete mikrogravitacije u slobodnom padu. Mnogi eksperimenti koji su tada izvedeni na svemirskim brodovima bili su preliminarno testirani u ovoj kuli, pa se naziva "ulaz u svemir".
Sferni oblik plamena objašnjava se činjenicom da u uvjetima nulte gravitacije ne dolazi do uzlaznog kretanja zraka i ne dolazi do konvekcije njegovih toplih i hladnih slojeva, što na Zemlji „izvlači“plamen u oblik kapi. U plamenu za izgaranje nema dovoljno svježeg zraka koji sadrži kisik, a ispada da je manji i nije tako vruć. Žuto-narančasta boja plamena poznatog kod nas na Zemlji uzrokovana je sjajem čestica čađe koje se uzdižu vrućim zrakom. U nultoj gravitaciji plamen poprima plavu boju, jer se formira malo čađe (za to je potrebna temperatura veća od 1000 ° C), a čađa koja će, zbog niže temperature, svijetliti samo u infracrvenom području. Na gornjoj fotografiji žuto-narančasta boja je još uvijek prisutna u plamenu, budući da je rana faza paljenja zarobljena kada još uvijek ima dovoljno kisika.
Istraživanja izgaranja u nultoj gravitaciji posebno su važna za osiguranje sigurnosti svemirskog broda. Već nekoliko godina eksperimenti vatre s plamenom (FLEX) provode se u posebnom odjeljku na brodu ISS. Istraživači zapaljuju male kapljice goriva (poput heptana i metanola) u kontroliranoj atmosferi. Mala kugla goriva gori oko 20 sekundi, okružena vatrenom sferom promjera 2,5–4 mm, nakon čega se kap smanjuje sve dok se plamen ne ugasi ili gorivo ne nestane. Najneočekivaniji rezultat bio je da je kap heptana, nakon vidljivog izgaranja, prešla u takozvanu "hladnu fazu" - plamen je postao toliko slab da ga je bilo nemoguće vidjeti. Pa ipak, gorjelo je: vatra bi mogla odmah izbiti pri interakciji s kisikom ili gorivom.
Kako istraživači objašnjavaju, tijekom normalnog izgaranja temperatura plamena varira između 1227 ° C i 1727 ° C - pri toj je temperaturi u pokusu bila vidljiva vatra. Kako je gorivo gorjelo, počelo je i „hladno sagorijevanje“: plamen se hladio na 227–527 ° C i nije proizvodio čađu, ugljični dioksid i vodu, već otrovne materijale - formaldehid i ugljični monoksid. Eksperiment FLEX odabrao je i najmanje zapaljivu atmosferu na bazi ugljičnog dioksida i helija, što će pomoći smanjenju rizika od požara u svemirskim brodovima u budućnosti.