Eksperimentet, der blev udført ombord på den internationale rumstation, gav uventede resultater - åben flamme opførte sig helt anderledes end forskerne forventede.
Som nogle forskere gerne siger, er brand menneskehedens ældste og mest succesrige kemiske eksperiment. Der har faktisk altid været ild med menneskeheden: fra de første bål, hvor kød blev stegt, til flammen af en raketmotor, der bragte en person til månen. I det store og hele er ild et symbol og et instrument for vores civilisations fremskridt.
Dr. Forman A. Williams, professor i fysik ved University of California, San Diego, har en lang historie med at undersøge flammer. Brand er normalt en kompleks proces med tusinder af sammenkoblede kemiske reaktioner. For eksempel fordampes carbonhydridmolekyler i en stearinlys fra vægen, dekomponeres når de udsættes for varme og kombineres med ilt for at producere lys, varme, CO2 og vand. Nogle af carbonhydriddelene i form af ringformede molekyler, kaldet polycykliske aromatiske carbonhydrider, danner sod, som også kan brænde eller omdanne til røg. Stearinlysets velkendte tåreform formes ved hjælp af tyngdekraft og konvektion: varm luft stiger opad og trækker frisk kold luft ind i flammen, hvorved flammen trækkes op.
Men det viser sig, at i tyngdekraften sker alt anderledes. I et eksperiment kaldet FLEX studerede forskere ild ombord på ISS for at udvikle teknologier til at slukke brande i nul tyngdekraft. Forskerne antændte små bobler af heptan inde i et specielt kammer og så, hvordan flammerne opførte sig.
Forskere står over for et mærkeligt fænomen. Ved mikrogravitet brænder flammen anderledes, den danner små kugler. Dette fænomen forventedes, fordi i modsætning til en flamme på Jorden, i nul tyngdekraft, mødes ilt og brændstof i et tyndt lag på overfladen af en kugle. Dette er et simpelt skema, der adskiller sig fra jordisk ild. Dog blev der opdaget en mærkelig karakter: forskere observerede den fortsatte afbrænding af ildkugler selv efter, ifølge alle beregninger, burde forbrændingen være stoppet. På samme tid gik ilden ind i den såkaldte kolde fase - den brændte meget svagt, så meget, at flammen ikke kunne ses. Dog brændte den, og flammen kunne øjeblikkeligt briste ud med stor kraft ved kontakt med brændstof og ilt.
Normalt forbrændes synlig ild ved høje temperaturer mellem 1227 og 1727 grader celsius. Heptanboblerne på ISS brændte også lyst ved denne temperatur, men da brændstoffet blev udtømt og afkølet, begyndte en helt anden forbrænding - kold. Det finder sted ved en relativt lav temperatur på 227-527 grader celsius og producerer ikke sod, CO2 og vand, men det mere giftige kulilte og formaldehyd.
Lignende typer kolde flammer er gengivet i laboratorier på Jorden, men under tyngdekraftsforhold er en sådan brand i sig selv ustabil og dør altid hurtigt ud. På ISS kan en kold flamme imidlertid brænde støt i flere minutter. Dette er ikke en særlig behagelig opdagelse, da kold ild udgør en øget fare: den antændes lettere, inklusive spontant, det er sværere at opdage og desuden frigiver det mere giftige stoffer. På den anden side kan opdagelsen finde praktisk anvendelse, for eksempel i HCCI-teknologien, der involverer antændelse af brændstof i benzinmotorer ikke fra stearinlys, men fra en kold flamme.
Salgsfremmende video:
Dette billede blev taget under et eksperiment til undersøgelse af forbrændingsfysik i et specielt 30 meter tårn (2,2-sekunders dråbtårn) fra John Glenn Research Center (Glenn Research Center), oprettet for at simulere betingelserne for mikrogravitet i frit fald. Mange eksperimenter, der derefter blev udført på rumfartøjer, blev foreløbigt testet i dette tårn, derfor kaldes det "en port til rummet".
Flammens sfæriske form forklares ved, at der under tyngdekraftsbetingelser ikke er nogen stigende luftbevægelse, og konvektion af dens varme og kolde lag forekommer ikke, som på Jorden "trækker" flammen til en dråbeform. Flammen til forbrænding har ikke nok frisk luft, der indeholder ilt, og den viser sig at være mindre og ikke så varm. Den gul-orange farve på den flamme, vi kender på Jorden, er forårsaget af glødet af sodpartikler, der stiger opad med en varm strøm af luft. I tyngdekraften får flammen en blå farve, fordi der dannes lidt sod (dette kræver en temperatur på mere end 1000 ° C), og sotet, der på grund af den lavere temperatur, kun glød i det infrarøde område. På det øverste foto er den gul-orange farve stadig til stede i flammen, da den tidlige fase af antændelsen fanges, når der stadig er nok ilt.
Undersøgelser af forbrænding i tyngdekraft er især vigtige for at sikre rumfartøjets sikkerhed. I flere år er Flame Extinguution Experiment (FLEX) eksperimenter blevet udført i et specielt rum ombord på ISS. Forskere antænder små dråber af brændstof (såsom heptan og methanol) i en kontrolleret atmosfære. En lille kugle brændstof brænder i cirka 20 sekunder, omgivet af en kugle med en diameter på 2,5–4 mm, hvorefter dråbet falder, indtil enten flammen går ud eller brændstoffet løber tør. Det mest uventede resultat var, at en dråbe heptan efter synlig forbrænding gik ind i den såkaldte "kolde fase" - flammen blev så svag, at det var umuligt at se den. Og alligevel brændte det: ild kunne øjeblikkeligt bryde ud, når de interagerer med ilt eller brændstof.
Som forskerne forklarer, under normal forbrænding svinger flammetemperaturen mellem 1227 ° C og 1727 ° C - ved denne temperatur i eksperimentet var der en synlig brand. Da brændstoffet brændte, begyndte "kold forbrænding": flammen afkøledes til 227-527 ° C og producerede ikke sod, kuldioxid og vand, men mere giftige materialer - formaldehyd og kulilte. FLEX-eksperimentet valgte også den mindst brandfarlige atmosfære baseret på kuldioxid og helium, hvilket vil hjælpe med at reducere risikoen for rumfartøjsbrande i fremtiden.