Experiment provedený na palubě Mezinárodní vesmírné stanice přinesl neočekávané výsledky - otevřený plamen se choval úplně jinak, než očekávali vědci.
Jak někteří vědci rádi říkají, oheň je nejstarším a nejúspěšnějším chemickým experimentem lidstva. Vskutku, oheň vždy šel s lidskostí: od prvních ohňů, na nichž bylo maso smažené, až po plameny raketového motoru, který přivedl člověka na Měsíc. Oheň je obecně symbolem a nástrojem vývoje naší civilizace.
Dr. Forman A. Williams, profesor fyziky na kalifornské univerzitě v San Diegu, má dlouhou historii zkoumání plamenů. Oheň je obvykle složitý proces tisíců vzájemně propojených chemických reakcí. Například v plameni svíčky se uhlovodíkové molekuly odpařují z knotu, rozkládají se, když jsou vystaveny teplu, a kombinují se s kyslíkem za vzniku světla, tepla, CO2 a vody. Některé z uhlovodíkových zbytků ve formě molekul ve tvaru kruhu, nazývaných polycyklické aromatické uhlovodíky, tvoří saze, které mohou také hořet nebo přeměnit v kouř. Známý tvar slzy světla svíčky je dán gravitací a konvekcí: horký vzduch stoupá vzhůru a vtahuje čerstvý studený vzduch do plamene, čímž plamen tlačí nahoru.
Ukazuje se však, že v nulové gravitaci se všechno děje jinak. V experimentu s názvem FLEX vědci studovali palbu na palubě ISS, aby vyvinuli technologie k hašení požárů při nulové gravitaci. Vědci zapálili malé bubliny heptanu ve speciální komoře a sledovali, jak se plameny chovají.
Vědci čelí zvláštnímu jevu. V mikrogravitaci plamen hoří jinak, tvoří malé kuličky. Tento jev se očekával, protože na rozdíl od plamene na Zemi se v nulové gravitaci setkávají kyslík a palivo v tenké vrstvě na povrchu koule. Toto je jednoduché schéma, které se liší od pozemského ohně. Objevila se však zvláštní věc: vědci pozorovali pokračování hoření ohnivých koulí i poté, co se podle všech výpočtů mělo spalování zastavit. Zároveň oheň prošel do tzv. Studené fáze - hořel velmi slabě, natolik, že plamen nebyl vidět. Avšak to hořelo a při kontaktu s palivem a kyslíkem mohl plamen okamžitě propuknout velkou silou.
Obvykle viditelný oheň hoří při vysokých teplotách mezi 1227 a 1727 ° C. Heptanové bubliny na ISS také jasně hořely při této teplotě, ale jak se palivo vyčerpalo a ochladilo, začalo úplně jiné spalování - studené. Probíhá při relativně nízké teplotě 227 - 527 ° C a neprodukuje saze, CO2 a vodu, ale toxičtější oxid uhelnatý a formaldehyd.
Podobné typy studeného plamene byly reprodukovány v laboratořích na Zemi, ale za gravitačních podmínek je takový oheň sám o sobě nestabilní a vždy rychle vymírá. Na ISS však chladný plamen může hořet několik minut. Toto není velmi příjemný objev, protože studený oheň představuje zvýšené nebezpečí: snadněji se zapálí, včetně spontánního, je obtížnější detekovat a navíc uvolňuje toxičtější látky. Na druhé straně, objev může najít praktické použití, například, v HCCI technologii, která zahrnuje zapalování paliva v benzínových motorech ne od svíček, ale od studeného plamene.
Propagační video:
Tento snímek byl pořízen během experimentu za účelem studia fyziky spalování ve speciální 30metrové věži (2,2sekundová pádlová věž) výzkumného centra John Glenn (Glenn Research Center), vytvořené ke simulaci podmínek mikrogravitace při volném pádu. V této věži bylo předběžně testováno mnoho experimentů, které byly poté provedeny na kosmické lodi, proto se nazývá „brána do vesmíru“.
Sférický tvar plamene je vysvětlen skutečností, že za podmínek nulové gravitace nedochází k vzestupnému pohybu vzduchu a nedochází ke konvekci jeho teplých a studených vrstev, což na Zemi „přitahuje“plamen do tvaru kapky. Plamen pro spalování nemá dostatek čerstvého vzduchu obsahujícího kyslík a ukázalo se, že je menší a ne tak horký. Žlutooranžová barva plamene, která je nám známá na Zemi, je způsobena záři částic sazí, které stoupají vzhůru horkým proudem vzduchu. Při nulové gravitaci získává plamen modrou barvu, protože se tvoří malé saze (to vyžaduje teplotu vyšší než 1000 ° C), a saze, které jsou díky nižší teplotě, září pouze v infračerveném rozsahu. Na horní fotografii je žlutooranžová barva stále přítomna v plameni, protože časná fáze zážehu je zachycena, když je ještě dostatek kyslíku.
Zkoumání spalování při nulové gravitaci je zvláště důležité pro zajištění bezpečnosti kosmické lodi. Již několik let se provádějí experimenty s plamenem (Flame Extinguishment Experiment) (FLEX) ve zvláštním prostoru na palubě ISS. Vědci zapálí malé kapičky paliva (jako je heptan a methanol) v kontrolované atmosféře. Malá koule paliva hoří asi 20 sekund, obklopená ohnivou koulí o průměru 2,5–4 mm, po které klesá kapka, dokud nezhasne plamen nebo nedojde palivo. Nej neočekávanějším výsledkem bylo, že kapka heptanu po viditelném spalování přešla do tzv. „Studené fáze“- plamen se stal tak slabým, že ho nebylo možné vidět. A přesto to hořelo: při interakci s kyslíkem nebo palivem mohl okamžitě vypuknout oheň.
Jak vědci vysvětlují, během normálního spalování se teplota plamene pohybuje mezi 1227 ° C a 1727 ° C - při této teplotě v experimentu došlo k viditelnému ohni. Když palivo spalovalo, začalo „studené spalování“: plamen se ochladil na 227–527 ° C a nevytvářel saze, oxid uhličitý a vodu, ale toxičtější materiály - formaldehyd a oxid uhelnatý. Experiment FLEX také vybral nejméně hořlavou atmosféru založenou na oxidu uhličitém a heliu, což pomůže snížit riziko požárů kosmických lodí v budoucnosti.