Experimentet, som utfördes ombord på den internationella rymdstationen, gav oväntade resultat - öppen låga uppförde sig helt annorlunda än vad forskarna förväntade sig.
Som vissa forskare vill säga är eld mänsklighetens äldsta och mest framgångsrika kemiska experiment. I själva verket har eld alltid gått med mänskligheten: från de första bålarna, på vilka kött stekte, till en raketmotors låga som förde en person till månen. I stort är eld en symbol och ett instrument för vår civilisations framsteg.
Dr. Forman A. Williams, professor i fysik vid University of California, San Diego, har en lång historia av att undersöka lågor. Eld är vanligtvis en komplex process med tusentals sammankopplade kemiska reaktioner. Till exempel, i en ljusflamma, förångas kolväte-molekyler från veken, sönderdelas när de utsätts för värme och kombineras med syre för att producera ljus, värme, CO2 och vatten. Vissa kolvätegrupper i form av ringformade molekyler, kallade polycykliska aromatiska kolväten, bildar sot, som också kan brinna eller förvandlas till rök. Ljusljusets bekanta tårformform ges av gravitation och konvektion: varm luft stiger uppåt och drar färsk kall luft in i lågan och drar därmed flammen uppåt.
Men det visar sig att i tyngdkraft händer allt annorlunda. I ett experiment som heter FLEX studerade forskare eld ombord på ISS för att utveckla teknik för att släcka bränder i nollvikt. Forskarna antände små bubblor av heptan inuti en speciell kammare och såg hur lågorna uppförde sig.
Forskare står inför ett konstigt fenomen. I mikrogravitet brinner lågan annorlunda, den bildar små bollar. Detta fenomen förväntades eftersom, till skillnad från en låga på jorden, i noll tyngdkraft, möts syre och bränsle i ett tunt lager på ytan av en sfär. Detta är ett enkelt schema som skiljer sig från jordisk eld. Men en konstighet upptäcktes: forskare observerade den fortsatta bränningen av eldkulor även efter att enligt alla beräkningar skulle förbränningen ha upphört. Samtidigt passerade elden in i den så kallade kalla fasen - den brände mycket svagt, så mycket att lågan inte kunde ses. Det brann emellertid, och lågan kunde omedelbart brista ut med stor kraft vid kontakt med bränsle och syre.
Vanligtvis brinner synlig eld vid höga temperaturer mellan 1227 och 1727 grader Celsius. Heptanbubblorna på ISS brände också ljust vid denna temperatur, men när bränslet tappades och kyldes började en helt annan förbränning - kallt. Det sker vid en relativt låg temperatur på 227-527 grader Celsius och producerar inte sot, CO2 och vatten, utan den mer giftiga kolmonoxiden och formaldehyden.
Liknande typer av kalla lågor har reproducerats i laboratorier på jorden, men under tyngdförhållanden är en sådan eld i sig instabil och dör alltid snabbt ut. På ISS kan emellertid en kall låga brinna stadigt under flera minuter. Detta är inte en mycket trevlig upptäckt, eftersom kall eld utgör en ökad fara: den antänds lättare, inklusive spontant, det är svårare att upptäcka det och dessutom släpper det ut mer giftiga ämnen. Å andra sidan kan upptäckten hitta praktisk tillämpning, till exempel i HCCI-tekniken, som involverar antändning av bränsle i bensinmotorer, inte från ljus, utan från en kall låga.
Kampanjvideo:
Denna bild togs under ett experiment för att studera förbränningens fysik i ett speciellt 30 meter högt torn (2,2-andra släpptornet) från John Glenn Research Center (Glenn Research Center), skapat för att simulera förhållandena för mikrogravitet i fritt fall. Många experiment som sedan utfördes på rymdskepp testades preliminärt i detta torn, därför kallas det "en port till rymden".
Flammans sfäriska form förklaras av det faktum att under tyngdkraftsförhållanden finns ingen stigande luftrörelse och konvektion av dess varma och kalla lager uppstår inte, vilket på jorden "drar" lågan till en droppform. Lågan för förbränning har inte tillräckligt med frisk luft som innehåller syre, och den visar sig vara mindre och inte så varm. Den gulorange färgen på den låga som vi känner till på jorden orsakas av glödet av sotpartiklar som stiger uppåt med en varm luftström. I tyngdkraften får flammen en blå färg, eftersom lite sot bildas (detta kräver en temperatur på mer än 1000 ° C), och sotet som beror på den lägre temperaturen kommer att glöda endast inom det infraröda området. På det översta fotot finns fortfarande den gulorange färgen i lågan, eftersom det tidiga stadiet av tändningen fångas när det fortfarande finns tillräckligt med syre.
Undersökningar av förbränning i nollvikt är särskilt viktiga för att säkerställa rymdskeppets säkerhet. I flera år har Flame Extinguution Experiment (FLEX) -experiment genomförts i ett speciellt fack ombord på ISS. Forskare antänder små droppar bränsle (som heptan och metanol) i en kontrollerad atmosfär. En liten boll av bränsle brinner i cirka 20 sekunder, omgiven av en eldsfär med en diameter på 2,5–4 mm, varefter droppen minskar tills antingen lågan slocknar eller bränslet tar slut. Det mest oväntade resultatet var att en droppe heptan, efter synlig förbränning, passerade in i den så kallade "kalla fasen" - lågan blev så svag att det var omöjligt att se den. Och ändå brann det: eld kunde omedelbart bryta ut när man interagerar med syre eller bränsle.
Som forskarna förklarar, under normal förbränning, fluktuerar temperaturen mellan 1227 ° C och 1727 ° C - vid denna temperatur i experimentet fanns en synlig eld. När bränslet brände började "kall förbränning": lågan kyldes till 227–527 ° C och producerade inte sot, koldioxid och vatten, men mer giftiga material - formaldehyd och kolmonoxid. FLEX-experimentet valde också den minst brandfarliga atmosfären baserad på koldioxid och helium, vilket kommer att bidra till att minska risken för rymdfarkostbränder i framtiden.