Experiment, ktorý sa uskutočnil na palube Medzinárodnej vesmírnej stanice, priniesol neočakávané výsledky - otvorený plameň sa správal úplne inak, ako očakávali vedci.
Ako niektorí vedci radi hovoria, oheň je najstarším a najúspešnejším chemickým experimentom ľudstva. Oheň vždy odišiel s ľudstvom: od prvých ohňov, na ktorých bolo vyprážané mäso, až po plamene raketového motora, ktorý priviedol človeka na Mesiac. Oheň je vo všeobecnosti symbolom a nástrojom vývoja našej civilizácie.
Forman A. Williams, profesor fyziky na kalifornskej univerzite v San Diegu, má dlhú históriu výskumu plameňov. Oheň je zvyčajne komplexný proces tisícov vzájomne prepojených chemických reakcií. Napríklad v plameni sviečky sa uhľovodíkové molekuly odparujú z knôtu, keď sa vystavia pôsobeniu tepla, rozkladajú sa a kombinujú sa s kyslíkom, čím sa vytvára svetlo, teplo, CO2 a voda. Niektoré z uhľovodíkových skupín vo forme molekúl v tvare kruhu, nazývaných polycyklické aromatické uhľovodíky, tvoria sadze, ktoré môžu tiež horieť alebo sa z nich môže stať dym. Známy slzný tvar sviečkového svetla je daný gravitáciou a prúdením: horúci vzduch stúpa nahor a nasáva čerstvý studený vzduch do plameňa, čím plameň ťahá nahor.
Ukazuje sa však, že v nulovej gravitácii sa všetko deje inak. V experimente s názvom FLEX vedci študovali paľbu na palube ISS, aby vyvinuli technológie na hasenie požiarov v nulovej gravitácii. Vedci podnietili malé bubliny heptánu vo zvláštnej komore a sledovali, ako sa plamene správajú.
Vedci čelia zvláštnemu fenoménu. V mikrogravitácii plameň horí inak, vytvára malé gule. Tento jav sa očakával, pretože na rozdiel od plameňa na Zemi sa kyslík a palivo v nulovej gravitácii stretávajú v tenkej vrstve na povrchu gule. Toto je jednoduchá schéma, ktorá sa líši od pozemského ohňa. Bola však objavená zvláštnosť: vedci pozorovali pokračujúce horenie guľôčok aj potom, čo sa podľa všetkých výpočtov malo spaľovanie zastaviť. Zároveň oheň prešiel do tzv. Studenej fázy - horel veľmi slabo, natoľko, že plameň nebolo vidieť. Horí však a pri kontakte s palivom a kyslíkom môže plameň okamžite vyhorieť veľkou silou.
Zvyčajne viditeľný oheň horí pri vysokých teplotách medzi 1227 a 1727 stupňov Celzia. Heptánové bubliny na ISS tiež jasne horeli pri tejto teplote, ale keď sa palivo vyčerpalo a ochladilo, začalo úplne iné spaľovanie - studené. Uskutočňuje sa pri relatívne nízkej teplote 227 - 527 stupňov Celzia a neprodukuje sadze, CO2 a vodu, ale toxickejší oxid uhoľnatý a formaldehyd.
Podobné typy studeného plameňa boli reprodukované v laboratóriách na Zemi, ale za gravitačných podmienok je taký oheň sám o sebe nestabilný a vždy rýchlo vymrie. Na ISS však studený plameň môže horieť niekoľko minút. Toto nie je veľmi príjemný objav, pretože studený oheň predstavuje zvýšené riziko: ľahšie sa zapáli, vrátane spontánneho, je ťažšie ho odhaliť a navyše uvoľňuje toxickejšie látky. Na druhej strane, objav môže nájsť praktické uplatnenie napríklad v technológii HCCI, ktorá zahŕňa zapaľovanie paliva v benzínových motoroch nie zo sviečok, ale zo studeného plameňa.
Propagačné video:
Tento obrázok sa nasnímal počas experimentu s cieľom študovať fyziku spaľovania v špeciálnej 30 metrovej veži (2,2-sekundová kvapková veža) Výskumného centra John Glenn (Výskumné centrum Glenn), vytvoreného na simuláciu podmienok mikrogravitácie pri voľnom páde. V tejto veži bolo predbežne testovaných veľa experimentov, ktoré sa potom vykonali na kozmickej lodi, preto sa nazýva „vstupná brána do vesmíru“.
Sférický tvar plameňa je vysvetlený skutočnosťou, že v podmienkach nulovej gravitácie nedochádza k vzostupnému pohybu vzduchu a nedochádza ku konvekcii jeho teplých a studených vrstiev, čo na Zemi „plaví“plameň do tvaru kvapky. Plameň na spaľovanie nemá dostatok čerstvého vzduchu obsahujúceho kyslík a ukázalo sa, že je menší a nie tak horúci. Žltooranžová farba plameňa, ktorý je nám známy na Zemi, je spôsobená žiarením častíc sadzí, ktoré stúpajú nahor horúcim prúdom vzduchu. Pri nulovej gravitácii plameň získava modrú farbu, pretože sa vytvára malé množstvo sadzí (vyžaduje si teplotu vyššiu ako 1 000 ° C) a sadze, ktoré sú v dôsledku nižšej teploty, žiaria iba v infračervenom rozsahu. Na hornom obrázku je žltooranžová farba stále prítomná v plameni, pretože počiatočný stupeň zapálenia je zachytený, keď je ešte dostatok kyslíka.
Vyšetrovanie spaľovania pri nulovej gravitácii je obzvlášť dôležité na zaistenie bezpečnosti kozmickej lode. Už niekoľko rokov sa experimenty s plameňovým hasiacim účinkom (FLEX) uskutočňovali v špeciálnom priestore na palube ISS. Vedci zapaľujú malé kvapky paliva (napríklad heptán a metanol) v kontrolovanej atmosfére. Malá guľa paliva horí asi 20 sekúnd, je obklopená ohnivou guľou s priemerom 2,5–4 mm, po ktorej klesá kvapka, až kým plameň nezhasne alebo kým nedôjde palivo. Naj neočakávanejším výsledkom bolo, že kvapka heptánu po viditeľnom spálení prešla do tzv. Studenej fázy - plameň sa stal tak slabým, že ho nebolo možné vidieť. A predsa to horelo: pri interakcii s kyslíkom alebo palivom mohol okamžite vypuknúť oheň.
Ako vedci vysvetľujú, počas normálneho spaľovania teplota plameňa kolíše medzi 1227 ° C a 1727 ° C - pri tejto teplote v experimente došlo k viditeľnému ohňu. Keď palivo spaľovalo, začalo „studené spaľovanie“: plameň sa ochladil na 227 - 527 ° C a nevytváral sadze, oxid uhličitý a vodu, ale toxickejšie materiály - formaldehyd a oxid uhoľnatý. Experiment FLEX tiež vybral najmenej horľavú atmosféru založenú na oxide uhličitom a héliu, čo pomôže v budúcnosti znížiť riziko požiarov kozmických lodí.