Het experiment, uitgevoerd aan boord van het International Space Station, leverde onverwachte resultaten op: de open vlam gedroeg zich heel anders dan wetenschappers hadden verwacht.
Zoals sommige wetenschappers graag zeggen, is vuur het oudste en meest succesvolle chemische experiment van de mensheid. Inderdaad, vuur is altijd met de mensheid meegegaan: van de eerste vreugdevuren, waarop vlees werd gebakken, tot de vlam van een raketmotor die een persoon naar de maan bracht. Vuur is over het algemeen een symbool en instrument van de vooruitgang van onze beschaving.
Dr. Forman A. Williams, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Californië, San Diego, heeft een lange geschiedenis in het onderzoeken van vlammen. Vuur is meestal een complex proces van duizenden onderling verbonden chemische reacties. In een kaarsvlam bijvoorbeeld, verdampen koolwaterstofmoleculen uit de pit, ontbinden ze wanneer ze worden blootgesteld aan hitte en combineren ze met zuurstof om licht, warmte, CO2 en water te produceren. Sommige koolwaterstofgroepen in de vorm van ringvormige moleculen, polycyclische aromatische koolwaterstoffen genaamd, vormen roet, dat ook kan verbranden of in rook kan veranderen. De bekende druppelvorm van het kaarslicht wordt gegeven door zwaartekracht en convectie: hete lucht stijgt op en zuigt verse koude lucht in de vlam, waardoor de vlam omhoog wordt getrokken.
Maar het blijkt dat bij gewichtloosheid alles anders gebeurt. In een experiment dat FLEX heet, bestudeerden wetenschappers vuur aan boord van het ISS om technologieën te ontwikkelen om branden zonder zwaartekracht te blussen. De onderzoekers staken kleine bubbels heptaan in een speciale kamer aan en keken hoe de vlammen zich gedroegen.
Wetenschappers worden geconfronteerd met een vreemd fenomeen. Bij microzwaartekracht brandt de vlam anders; het vormt kleine balletjes. Dit fenomeen werd verwacht omdat, in tegenstelling tot een vlam op aarde, bij gewichtloosheid zuurstof en brandstof elkaar ontmoeten in een dunne laag op het oppervlak van een bol. Dit is een eenvoudig schema dat verschilt van aards vuur. Er werd echter iets vreemds ontdekt: wetenschappers observeerden de voortzetting van het verbranden van vuurballen, zelfs nadat, volgens alle berekeningen, de verbranding had moeten stoppen. Tegelijkertijd ging het vuur over in de zogenaamde koude fase - het brandde heel zwak, zo erg dat de vlam niet te zien was. Het brandde echter en de vlam kon ogenblikkelijk met grote kracht uitbarsten bij contact met brandstof en zuurstof.
Meestal brandt zichtbaar vuur bij hoge temperaturen tussen 1227 en 1727 graden Celsius. De heptaanbellen in het ISS brandden ook helder bij deze temperatuur, maar naarmate de brandstof opraakte en afkoelde, begon een heel andere verbranding - koud. Het vindt plaats bij een relatief lage temperatuur van 227-527 graden Celsius en produceert geen roet, CO2 en water, maar het meer giftige koolmonoxide en formaldehyde.
Vergelijkbare soorten koude vlammen zijn gereproduceerd in laboratoria op aarde, maar onder omstandigheden van zwaartekracht is zo'n vuur zelf onstabiel en sterft het altijd snel uit. Op het ISS kan een koude vlam echter enkele minuten gestaag branden. Dit is geen erg prettige ontdekking, aangezien koud vuur een verhoogd gevaar oplevert: het ontsteekt gemakkelijker, ook spontaan, is moeilijker op te sporen en bovendien komen er meer giftige stoffen vrij. Aan de andere kant kan de ontdekking praktische toepassing vinden, bijvoorbeeld in de HCCI-technologie, waarbij brandstof in benzinemotoren niet met kaarsen wordt ontstoken, maar met een koude vlam.
Promotie video:
Deze foto is gemaakt tijdens een experiment om de fysica van verbranding te bestuderen in een speciale toren van 30 meter (2.2-Second Drop Tower) van het John Glenn Research Center (Glenn Research Center), gemaakt om de omstandigheden van microzwaartekracht in vrije val te simuleren. Veel experimenten die toen op ruimtevaartuigen werden uitgevoerd, werden voorlopig getest in deze toren, daarom wordt hij "een poort naar de ruimte" genoemd.
De bolvorm van de vlam wordt verklaard door het feit dat er onder omstandigheden zonder zwaartekracht geen opstijgende luchtbeweging is en dat er geen convectie van de warme en koude lagen optreedt, die op aarde de vlam in een druppelvorm "trekt". De vlam voor verbranding heeft niet genoeg verse lucht met zuurstof, en blijkt kleiner en niet zo heet te zijn. De geeloranje kleur van de vlam die ons op aarde bekend is, wordt veroorzaakt door de gloed van roetdeeltjes die met een hete luchtstroom omhoog komen. Bij gewichtloosheid krijgt de vlam een blauwe kleur, doordat er weinig roet wordt gevormd (hiervoor is een temperatuur van meer dan 1000 ° C nodig), en het roet dat door de lagere temperatuur is, zal alleen in het infrarode bereik gloeien. Op de bovenste foto is de geeloranje kleur nog aanwezig in de vlam, aangezien het vroege stadium van de ontsteking wordt vastgelegd wanneer er nog voldoende zuurstof is.
Onderzoek naar verbranding zonder zwaartekracht is vooral belangrijk om de veiligheid van ruimtevaartuigen te waarborgen. In een speciaal compartiment aan boord van het ISS worden al enkele jaren experimenten met vlamdovendexperimenten (FLEX) uitgevoerd. Onderzoekers steken kleine druppeltjes brandstof (zoals heptaan en methanol) in een gecontroleerde atmosfeer aan. Een klein balletje brandstof brandt ongeveer 20 seconden, omgeven door een vuurbol met een diameter van 2,5–4 mm, waarna de druppel afneemt totdat de vlam uitgaat of de brandstof opraakt. Het meest onverwachte resultaat was dat een druppel heptaan, na zichtbare verbranding, overging in de zogenaamde "koude fase" - de vlam werd zo zwak dat het onmogelijk was om hem te zien. En toch brandde het: er kon onmiddellijk vuur uitbreken bij interactie met zuurstof of brandstof.
Zoals de onderzoekers uitleggen, schommelt de vlamtemperatuur tijdens normale verbranding tussen 1227 ° C en 1727 ° C - bij deze temperatuur in het experiment was er een zichtbare brand. Terwijl de brandstof verbrandde, begon de "koude verbranding": de vlam koelde af tot 227–527 ° C en produceerde geen roet, kooldioxide en water, maar meer giftige stoffen - formaldehyde en koolmonoxide. Het FLEX-experiment selecteerde ook de minst ontvlambare atmosfeer op basis van kooldioxide en helium, wat het risico op ruimtevaartbranden in de toekomst zal helpen verminderen.