Експериментът, проведен на борда на Международната космическа станция, даде неочаквани резултати - откритият пламък се държеше съвсем различно, отколкото учените очакваха.
Както някои учени обичат да казват, огънят е най-старият и най-успешен химически експеримент на човечеството. Всъщност огънят винаги е вървял с човечеството: от първите огньове, на които се пържи месо, до пламъка на ракетния двигател, който изведе човек на Луната. Като цяло огънят е символ и инструмент за прогреса на нашата цивилизация.
Д-р Форман А. Уилямс, професор по физика в Калифорнийския университет в Сан Диего, има дълга история на изследване на пламъците. Пожарът обикновено е сложен процес от хиляди взаимосвързани химически реакции. Например, в пламък на свещта, въглеводородните молекули се изпаряват от фитила, разлагат се, когато са изложени на топлина, и се комбинират с кислород, за да произведат светлина, топлина, СО2 и вода. Някои от въглеводородните части под формата на пръстеновидни молекули, наречени полициклични ароматни въглеводороди, образуват сажди, които също могат да изгорят или да се превърнат в дим. Познатата форма на капка на светлината на свещта се дава чрез гравитация и конвекция: горещият въздух се издига нагоре и изтегля свеж студен въздух в пламъка, като по този начин дърпа пламъка нагоре.
Но се оказва, че при нулева гравитация всичко се случва по различен начин. В експеримент, наречен FLEX, учените изследвали пожар на борда на МКС, за да разработят технологии за гасене на пожари с нулева гравитация. Изследователите запалили малки мехурчета хептан вътре в специална камера и наблюдавали как се държат пламъците.
Учените са изправени пред странно явление. При микрогравитация пламъкът гори по различен начин, образува малки топчета. Това явление се очакваше, защото за разлика от пламъка на Земята, при нулева гравитация кислородът и горивото се срещат в тънък слой на повърхността на сфера. Това е проста схема, която се различава от земния огън. Въпреки това беше открита странност: учените наблюдават продължителното изгаряне на огнени топки дори след като според всички изчисления горенето трябваше да спре. В същото време огънят премина в така наречената студена фаза - изгаряше много слабо, толкова много, че пламъкът да не се вижда. Обаче той гори и пламъкът можеше веднага да избухне с голяма сила при контакт с гориво и кислород.
Обикновено видимият огън гори при високи температури между 1227 и 1727 градуса по Целзий. Хептановите мехурчета на МКС също гореха ярко при тази температура, но докато горивото се изчерпи и изстуди, започна съвсем различно горене - студено. Провежда се при сравнително ниска температура 227-527 градуса по Целзий и не произвежда сажди, CO2 и вода, а по-токсичните въглероден окис и формалдехид.
Подобни видове студени пламъци са възпроизведени в лаборатории на Земята, но при условия на гравитация самият такъв пожар е нестабилен и винаги бързо изгасва. На МКС обаче студен пламък може да гори постоянно за няколко минути. Това не е много приятно откритие, тъй като студеният огън представлява повишена опасност: той се запалва по-лесно, включително спонтанно, по-трудно е да го откриете и освен това отделя повече токсични вещества. От друга страна, откритието може да намери практическо приложение, например, в технологията HCCI, която включва запалване на гориво в бензинови двигатели не от свещи, а от студен пламък.
Промоционално видео:
Тази снимка е направена по време на експеримент за изучаване на физиката на изгаряне в специална 30-метрова кула (2.2-втора капка на кулата) на изследователския център „Джон Глен“(Glenn Research Center), създадена да симулира условията на микрогравитация при свободно падане. Много експерименти, които след това бяха извършени на космически кораби, бяха предварително тествани в тази кула, поради което тя се нарича „порта към космоса“.
Сферичната форма на пламъка се обяснява с факта, че при нулеви гравитационни условия няма възходящо движение на въздуха и не се получава конвекция на топлите и студените му слоеве, което на Земята "дърпа" пламъка в капка форма. В пламъка за изгаряне няма достатъчно свеж въздух, съдържащ кислород, и се оказва, че е по-малък и не е толкова горещ. Жълто-оранжевият цвят на познатия ни на Земята пламък се причинява от сиянието на частици сажди, които се издигат нагоре с горещ въздушен поток. При нулева гравитация пламъкът придобива син цвят, тъй като се образува малко сажди (това изисква температура над 1000 ° C), а саждите, които поради по-ниската температура ще светят само в инфрачервения диапазон. На горната снимка жълто-оранжевият цвят все още присъства в пламъка, тъй като ранният етап на запалването се улавя, когато все още има достатъчно кислород.
Изследванията на изгарянето с нулева гравитация са особено важни за осигуряване на безопасността на космическите кораби. Вече няколко години експериментите с пожарогасене (FLEX) се провеждат в специално отделение на борда на МКС. Изследователите запалват малки капки гориво (като хептан и метанол) в контролирана атмосфера. Малко топче гориво гори за около 20 секунди, заобиколено от огънна сфера с диаметър 2,5–4 mm, след което капката намалява, докато пламъкът не угасне или горивото изтича. Най-неочакваният резултат беше, че капка хептан, след видимо изгаряне, премина в така наречената „студена фаза“- пламъкът стана толкова слаб, че беше невъзможно да се види. И въпреки това гореше: огън може незабавно да избухне при взаимодействие с кислород или гориво.
Както обясняват изследователите, при нормално изгаряне температурата на пламъка се колебае между 1227 ° C и 1727 ° C - при тази температура в експеримента е имало видим огън. Докато горивото изгаряло, започнало „студено горене“: пламъкът се охлажда до 227–527 ° C и не произвежда сажди, въглероден диоксид и вода, а по-токсични материали - формалдехид и въглероден оксид. Експериментът FLEX също избра най-малко запалимата атмосфера на базата на въглероден диоксид и хелий, което ще помогне за намаляване на риска от пожари в космически кораби в бъдеще.