A Nemzetközi Űrállomás fedélzetén végzett kísérlet váratlan eredményeket adott - a nyílt láng egészen másként viselkedett, mint a tudósok várták.
Mint egyes tudósok szeretik mondani, a tűz az emberiség legrégebbi és legsikeresebb kémiai kísérlete. A tűz valójában mindig az emberiséggel ment: az első tábortűztől, amelyen a húst sülték, a rakétamotor lángjáig, amely az embert a Holdra hozta. A tűz általában civilizációnk előrehaladásának szimbóluma és eszköze.
Dr. Forman A. Williams, a San Diego-i Kaliforniai Egyetem fizikai professzora régóta kutatja a lángok kutatását. A tűz általában összetett folyamat, több ezer összekapcsolt kémiai reakció révén. Például egy gyertya lángjában a szénhidrogén molekulák elpárolognak a kanócból, hő hatására bomlanak, és oxigénnel kombinálva képesek fényt, hőt, CO2-t és vizet előállítani. Néhány gyűrű alakú molekula formájában lévő szénhidrogén-csoport, úgynevezett policiklikus aromás szénhidrogén, koromot képez, amely szintén éghet vagy füstré alakulhat. A gyertyafény megszokott könnycsepp alakját a gravitáció és a konvekció adja: a forró levegő felfelé emelkedik, és friss hideg levegőt vezet a lángba, ezáltal felfelé húzza a lángot.
De kiderül, hogy nulla gravitációban minden másként történik. A FLEX nevű kísérletben a tudósok az ISS fedélzetén vizsgálták a tűzoltás gravitáció nélküli technológiájának kidolgozására szolgáló technológiákat. A kutatók egy speciális kamrában kis heptánbuborékokat gyújtottak meg, és figyelték a lángok viselkedését.
A tudósok furcsa jelenséggel néznek szembe. Mikrogravitáció esetén a láng eltérően ég, kis golyókat képez. Ezt a jelenséget azért várták, mert a Föld lángjától eltérően, nulla gravitáció mellett az oxigén és az üzemanyag vékony rétegben találkozik a gömb felületén. Ez egy egyszerű séma, amely különbözik a földi tűztől. Ugyanakkor furcsaságot fedeztek fel: a tudósok megfigyelték a tűzgolyók folyamatos égését még akkor is, ha minden számítás szerint az égést meg kellett volna állítani. Ugyanakkor a tűz átment az úgynevezett hideg fázisba - nagyon gyengén égett, olyannyira, hogy a láng nem volt látható. Azonban égtek, és a láng hatalmas erővel azonnal felrobbanhat az üzemanyaggal és az oxigénnel érintkezve.
Általában látható tűz magas hőmérsékleten ég, 1227 és 1727 Celsius fok között. Az ISS-en lévő heptánbuborékok is erősen égtek ezen a hőmérsékleten, de amint az üzemanyag kimerült és lehűlt, egy teljesen más égés kezdődött - hideg. Ez viszonylag alacsony hőmérsékleten, 227-527 Celsius fokon zajlik, és nem termel koromot, CO2-t és vizet, hanem a mérgezőbb szén-monoxidot és formaldehidet.
Hasonló típusú hideg lángot reprodukáltak a Föld laboratóriumaiban, de gravitációs körülmények között egy ilyen tűz instabil és mindig gyorsan elpusztul. Az ISS-en azonban a hideg láng egyenletesen éghet néhány percig. Ez nem túl kellemes felfedezés, mivel a hideg tűz fokozott veszélyt jelent: könnyebben meggyullad, beleértve spontán módon is, nehezebb felismerni, ráadásul mérgezőbb anyagokat bocsát ki. Másrészt a felfedezés gyakorlati alkalmazást találhat például a HCCI technológiában, amely magában foglalja az üzemanyag benzinmotorokban való gyújtását nem gyertyákból, hanem hideg lángból.
Promóciós videó:
Ezt a képet egy olyan kísérlet során készítették, amelynek során az égés fizikáját tanulmányozták a John Glenn Kutatóközpont (Glenn Research Center) speciális 30 méteres toronyjában (2,2 másodperces csepp torony), amelyet a szabad esés mikrogravitációs körülményeinek szimulálására készítettek. Számos kísérletet, amelyet később űrhajókon hajtottak végre, előzetesen tesztelték ebben a toronyban, ezért „űrjárónak” nevezik.
A láng gömb alakja azzal magyarázható, hogy súlytalanságok esetén nincs emelkedő levegőmozgás, és meleg és hideg rétegei nem fordulnak elő, ami a Földön a lángot csepp alakba húzza. Az égéshez használt lángnak nincs elegendő friss oxigént tartalmazó levegője, kicsi és nem olyan meleg. A Földön ismert lángunk sárga-narancssárga színét a koromrészecskék izzása okozza, amelyek forró levegőárammal felfelé emelkednek. Nulla gravitáció esetén a láng kék színű lesz, mivel kevés korom képződik (ehhez több mint 1000 ° C hőmérsékletet igényel), és a korom, amely az alacsonyabb hőmérséklet miatt csak az infravörös tartományban világít. A felső képen a sárga-narancssárga szín továbbra is jelen van a lángban, mivel a gyújtás korai szakaszában elfogják, amikor még mindig van elég oxigén.
A nulla gravitációs égés vizsgálata különösen fontos az űrhajó biztonságának biztosítása szempontjából. Több éve lángoltási kísérletet (FLEX) végeznek egy speciális rekeszben az ISS fedélzetén. A kutatók ellenőrzött atmoszférában kis üzemanyagcseppek (például heptán és metanol) gyulladnak meg. Körülbelül 20 másodpercig kis tüzelőanyag-golyó ég, körülbelül 2,5–4 mm átmérőjű tűzgömb veszi körül, ezután a csepp csökken, amíg vagy a láng kialszik, vagy az üzemanyag elfogy. A legváratlanabb eredmény az volt, hogy egy heptáncsepp a látható égés után átkerült az úgynevezett "hideg fázisba" - a láng olyan gyenge lett, hogy lehetetlen volt látni. És mégis égett: a tűz azonnal kihalhat, ha kölcsönhatásba lép oxigénnel vagy üzemanyaggal.
Ahogy a kutatók elmagyarázzák, a normál égés során a láng hőmérséklete 1227 ° C és 1727 ° C között ingadozik - ezen a hőmérsékleten a kísérletben látható tűz volt. A tüzelőanyag elégetésekor megkezdődött a „hideg égés”: a láng 227–527 ° C-ra hűtött és nem koromot, széndioxidot és vizet, hanem mérgezőbb anyagokat - formaldehidet és szén-monoxidot - termelt. A FLEX kísérlet a szén-dioxid és a hélium alapján a legkevésbé tűzveszélyes atmoszférát választotta ki, amely hozzájárul az űrhajók tüzének kockázatának csökkentéséhez a jövőben.