18. juni 2013: Ild, siger man ofte, er menneskehedens ældste kemieksperiment.
I tusindvis af år har mennesker blandet den iltrige luft på Jorden med et næsten uendeligt udvalg af brændstoffer for at frembringe varme, lysende flammer. Der er en læringsbue om forbrænding, der strækker sig fra de primitive menneskers tidligste lejrbål til de mest avancerede biler, der kører ned ad supermotorvejene i det 21. århundrede. Ingeniører studerer forbrænding for at fremstille bedre forbrændingsmotorer; kemikere kigger ind i flammerne for at finde eksotiske reaktioner; kokke eksperimenterer med ild for at lave bedre mad.
Man skulle tro, at der ikke er meget mere at lære. Dr. Forman A. Williams, professor i fysik ved UC San Diego, ville være uenig. “Når det drejer sig om ild,” siger han, “er vi kun lige begyndt.”
Flammer er svære at forstå, fordi de er komplicerede. I en almindelig stearinlysflamme finder der tusindvis af kemiske reaktioner sted. Kulbrintemolekyler fra vægen fordampes og knækkes fra hinanden af varmen. De kombineres med ilt for at producere lys, varme, CO2 og vand. Nogle af kulbrintefragmenterne danner ringformede molekyler, der kaldes polycykliske aromatiske kulbrinter, og til sidst sod. Sodpartikler kan selv brænde eller blot drive væk som røg. Flammens velkendte dråbeform er en effekt, der skyldes tyngdekraften. Varm luft stiger op og trækker frisk kold luft med sig. Dette kaldes opdrift, og det er det, der får flammen til at skyde op og flimre.
Men hvad sker der, når du tænder et stearinlys, f.eks. på den internationale rumstation (ISS)?
“I mikrogravitation brænder flammerne anderledes – de danner små kugler,” siger Williams.
Flammende kugler på ISS viser sig at være vidunderlige mini-laboratorier til forbrændingsforskning. I modsætning til flammer på Jorden, som udvider sig grådigt, når de har brug for mere brændstof, lader flammekugler ilten komme til dem. Ilt og brændstof forenes i et snævert område på kuglens overflade og ikke i hele flammen. Det er et meget enklere system.
For nylig var Williams og kolleger i gang med et eksperiment på ISS kaldet “FLEX” for at lære, hvordan man slukker brande i mikrogravitation, da de stødte på noget mærkeligt. Små dråber af heptan brændte inde i FLEX-forbrændingskammeret. Som planlagt gik flammerne ud, men uventet fortsatte dråberne af brændstof med at brænde.
“Det er rigtigt – de så ud til at brænde uden flammer,” siger Williams. “I første omgang troede vi ikke selv på det.”
Faktisk mener Williams, at flammerne er der, bare for svage til at se. “Det er seje flammer,” forklarer han.
Almindelig, synlig ild brænder ved en høj temperatur mellem 1500K og 2000K. Heptanflammekugler på ISS startede i dette “varme brand”-regime. Men da flammekuglerne afkøledes og begyndte at slukke, tog en anden form for forbrænding over.
“Kølige flammer brænder ved den relativt lave temperatur på 500K til 800K,” siger Williams. “Og deres kemi er helt anderledes. Normale flammer producerer sod, CO2 og vand. Kølige flammer producerer kulmonoxid og formaldehyd.”
Lignende kolde flammer er blevet produceret på Jorden, men de flimrer ud næsten øjeblikkeligt. På ISS kan de kølige flammer imidlertid brænde i lange minutter.
“Der er praktiske konsekvenser af disse resultater,” bemærker Williams. “De kunne f.eks. føre til renere tændinger i biler.”
En af de ideer, som bilfirmaer har arbejdet på i årevis, er HCCI – en forkortelse for “homogeneous charge compression ignition” (kompressionstænding med homogen ladning). I bilcylinderen ville der i stedet for en gnist være en blidere og mindre forurenende forbrændingsproces i hele kammeret.
“HCCI’s kemi involverer kølende flammekemi”, siger Williams. “Den ekstra kontrol, som vi får fra den stationære forbrænding på ISS, vil give os mere præcise kemiværdier til denne type forskning.”
Vi er faktisk lige kommet i gang.
Credits:
Author:
Tony Phillips | Produktionsredaktør: Dr. Tony Phillips | Credit: Science@NASA