18. června 2013: Často se říká, že oheň je nejstarší chemický experiment lidstva.
Po tisíce let lidé míchají na kyslík bohatý vzduch na Zemi s téměř nekonečným množstvím různých paliv, aby vytvořili žhavý svítivý plamen. Existuje oblouk poznání spalování, který se táhne od prvních táborových ohňů primitivních lidí až po nejmodernější automobily prohánějící se po superdálnicích 21. století. Inženýři studují hoření, aby vyrobili lepší spalovací motory; chemici zkoumají plameny a hledají exotické reakce; kuchaři experimentují s ohněm, aby uvařili lepší jídlo.
Člověk by si myslel, že už se není co učit. Dr. Forman A. Williams, profesor fyziky na Kalifornské univerzitě v San Diegu, by s tím nesouhlasil. „Pokud jde o oheň,“ říká, „jsme teprve na začátku“.
Plameny je těžké pochopit, protože jsou komplikované. V obyčejném plameni svíčky probíhají tisíce chemických reakcí. Molekuly uhlovodíků z knotu se vypařují a teplem se štěpí. Spojují se s kyslíkem za vzniku světla, tepla, CO2 a vody. Některé z uhlovodíkových fragmentů tvoří prstencové molekuly zvané polycyklické aromatické uhlovodíky a nakonec saze. Částice sazí mohou samy hořet nebo se jednoduše rozptýlit jako kouř. Známý slzovitý tvar plamene je důsledkem gravitace. Horký vzduch stoupá vzhůru a přitahuje za sebou čerstvý chladný vzduch. Tomuto jevu se říká vztlak a způsobuje, že plamen stoupá vzhůru a mihotá se.
Co se však stane, když zapálíte svíčku například na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS)?
„V mikrogravitaci hoří plameny jinak – tvoří malé koule,“ říká Williams.
Ukazuje se, že hořící koule na ISS jsou úžasnými minilaboratořemi pro výzkum hoření. Na rozdíl od plamenů na Zemi, které se lačně rozpínají, když potřebují více paliva, plamenné koule nechávají kyslík přijít k sobě. Kyslík a palivo se spojují v úzké zóně na povrchu koule, nikoliv v celém plameni. Je to mnohem jednodušší systém.
Nedávno Williams a jeho kolegové prováděli na ISS experiment nazvaný „FLEX“, jehož cílem bylo zjistit, jak hasit požáry v mikrogravitaci, když narazili na něco zvláštního. Uvnitř spalovací komory FLEX hořely malé kapičky heptanu. Podle plánu plameny zhasly, ale kapičky paliva nečekaně hořely dál.
„Je to tak – zdálo se, že hoří bez plamenů,“ říká Williams. „Zpočátku jsme tomu sami nevěřili.“
Ve skutečnosti se Williams domnívá, že plameny tam jsou, jen jsou příliš slabé na to, aby byly vidět. „Jsou to chladné plameny,“ vysvětluje.
Běžný, viditelný oheň hoří při vysoké teplotě mezi 1500K a 2000K. Heptanové plamenné koule na ISS začínaly v tomto režimu „horkého ohně“. Když se však plamenné koule ochladily a začaly zhasínat, nastoupil jiný druh hoření.
„Chladné plameny hoří při relativně nízké teplotě 500K až 800K,“ říká Williams. „A jejich chemismus je úplně jiný. Normální plameny produkují saze, CO2 a vodu. Chladné plameny produkují oxid uhelnatý a formaldehyd.“
Podobné chladné plameny vznikly i na Zemi, ale téměř okamžitě zhasly. Na ISS však mohou chladné plameny hořet dlouhé minuty.
„Tyto výsledky mají praktické důsledky,“ poznamenává Williams. „Mohly by například vést k čistšímu zapalování automobilů.“
Jednou z myšlenek, na které automobilky pracují již léta, je HCCI – zkratka pro „homogenní kompresní zapalování náplně“. V automobilovém válci by místo jiskry probíhal šetrnější, méně znečišťující spalovací proces v celé komoře.
„Chemie HCCI zahrnuje chemii chladného plamene,“ říká Williams. „Dodatečná kontrola, kterou získáme díky ustálenému spalování na ISS, nám poskytne přesnější hodnoty chemie pro tento typ výzkumu.“
Vskutku teprve začínáme.
Kredity:
Autorem je prof: Phillips | Produkční editor: Dr. Tony Phillips Tony Phillips | Kredit: Science@NASA