Juni 18, 2013: Feuer, so heißt es oft, ist das älteste chemische Experiment der Menschheit.

Seit Jahrtausenden mischen die Menschen die sauerstoffreiche Luft der Erde mit einer schier unendlichen Vielfalt von Brennstoffen, um heiße, leuchtende Flammen zu erzeugen. Der Bogen der Erkenntnisse über die Verbrennung spannt sich von den ersten Lagerfeuern der Urmenschen bis zu den fortschrittlichsten Automobilen, die auf den Autobahnen des 21. Ingenieure erforschen die Verbrennung, um bessere Verbrennungsmotoren zu entwickeln; Chemiker schauen in die Flammen, um nach exotischen Reaktionen zu suchen; Köche experimentieren mit Feuer, um besseres Essen zu kochen.

Man könnte meinen, es gäbe nicht mehr viel zu lernen. Dr. Forman A. Williams, Professor für Physik an der UC San Diego, ist da anderer Meinung. „Wenn es um Feuer geht“, sagt er, „stehen wir erst am Anfang.“

Kuriose Flammen auf der ISS
Ein neues ScienceCast-Video erforscht das überraschende Verhalten von „kühlen Flammen“ auf der Internationalen Raumstation. Play it

Flammen sind schwer zu verstehen, weil sie kompliziert sind. In einer gewöhnlichen Kerzenflamme finden Tausende von chemischen Reaktionen statt. Kohlenwasserstoffmoleküle aus dem Docht werden verdampft und durch die Hitze aufgespalten. Sie verbinden sich mit Sauerstoff und erzeugen Licht, Wärme, CO2 und Wasser. Einige der Kohlenwasserstofffragmente bilden ringförmige Moleküle, die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, und schließlich Ruß. Rußpartikel können selbst brennen oder einfach als Rauch abtreiben. Die bekannte Tropfenform der Flamme ist ein durch die Schwerkraft verursachter Effekt. Heiße Luft steigt nach oben und zieht frische, kühle Luft nach sich. Das nennt man Auftrieb und sorgt dafür, dass die Flamme nach oben schießt und flackert.

Aber was passiert, wenn man eine Kerze zum Beispiel auf der Internationalen Raumstation (ISS) anzündet?

February Fireballs (signup)

„In der Mikrogravitation brennen Flammen anders – sie bilden kleine Kugeln“, sagt Williams.

Die Flammenkugeln auf der ISS erweisen sich als wunderbare Minilabore für die Verbrennungsforschung. Anders als Flammen auf der Erde, die sich gierig ausdehnen, wenn sie mehr Brennstoff benötigen, lassen Flammenkugeln den Sauerstoff zu sich kommen. Sauerstoff und Brennstoff verbinden sich in einer schmalen Zone an der Oberfläche der Kugel und nicht überall in der Flamme. Das ist ein viel einfacheres System.

Kürzlich führten Williams und Kollegen ein ISS-Experiment namens „FLEX“ durch, um zu lernen, wie man Brände in der Schwerelosigkeit löscht, als sie auf etwas Seltsames stießen. In der FLEX-Brennkammer brannten kleine Heptantröpfchen. Wie geplant, erloschen die Flammen, aber unerwartet brannten die Tröpfchen weiter.

„Das ist richtig – sie schienen ohne Flammen zu brennen“, sagt Williams. „Zuerst haben wir es selbst nicht geglaubt.“

Strange Flames on the ISS (droplet)
Ein Farbbild eines brennenden Treibstofftropfens. Mehr

Williams glaubt sogar, dass die Flammen da sind, nur zu schwach, um sie zu sehen. „Das sind kühle Flammen“, erklärt er.

Normales, sichtbares Feuer brennt bei einer hohen Temperatur zwischen 1500K und 2000K. Die Heptanflammenbälle auf der ISS brannten anfangs in diesem „heißen“ Bereich. Doch als die Flammenbälle abkühlten und zu erlöschen begannen, trat eine andere Art des Brennens in Kraft.

„Kühle Flammen brennen bei einer relativ niedrigen Temperatur von 500K bis 800K“, sagt Williams. „Und ihre Chemie ist völlig anders. Normale Flammen erzeugen Ruß, CO2 und Wasser. Kühle Flammen erzeugen Kohlenmonoxid und Formaldehyd.“

Ähnliche kühle Flammen wurden auch auf der Erde erzeugt, aber sie erlöschen fast sofort. Auf der ISS hingegen können kühle Flammen lange Minuten brennen.

„Diese Ergebnisse haben auch praktische Auswirkungen“, meint Williams. „Sie könnten zum Beispiel zu saubereren Autozündungen führen.“

Eine der Ideen, an denen die Autohersteller seit Jahren arbeiten, ist HCCI – kurz für „Homogeneous Charge Compression Ignition“. Im Autozylinder würde anstelle eines Funkens ein sanfterer, weniger umweltbelastender Verbrennungsprozess im gesamten Raum stattfinden.

„Die Chemie der HCCI beinhaltet eine kühle Flammenchemie“, sagt Williams. „Die zusätzliche Kontrolle, die wir durch die stationäre Verbrennung auf der ISS erhalten, wird uns genauere chemische Werte für diese Art von Forschung liefern.“

In der Tat, wir fangen gerade erst an.

Credits:

Autor: Dr. Tony Phillips | Produktionsredaktion: Dr. Tony Phillips | Kredit: [email protected]

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