18 de junio de 2013: El fuego, se suele decir, es el experimento químico más antiguo de la humanidad.
Desde hace miles de años, la gente ha mezclado el aire rico en oxígeno de la Tierra con una variedad casi infinita de combustibles para producir una llama luminosa y caliente. Hay un arco de aprendizaje sobre la combustión que se extiende desde las primeras hogueras de los humanos primitivos hasta los automóviles más avanzados que corren por las supercarreteras del siglo XXI. Los ingenieros estudian la combustión para fabricar mejores motores de combustión interna; los químicos se asoman a las llamas en busca de reacciones exóticas; los chefs experimentan con el fuego para cocinar mejor.
Se podría pensar que no hay mucho más que aprender. El Dr. Forman A. Williams, profesor de física de la Universidad de California en San Diego, no está de acuerdo. «Cuando se trata del fuego», dice, «apenas estamos empezando».
Las llamas son difíciles de entender porque son complicadas. En la llama de una vela normal tienen lugar miles de reacciones químicas. Las moléculas de hidrocarburo de la mecha se vaporizan y se rompen por el calor. Se combinan con el oxígeno para producir luz, calor, CO2 y agua. Algunos de los fragmentos de hidrocarburos forman moléculas en forma de anillo llamadas hidrocarburos aromáticos policíclicos y, finalmente, hollín. Las partículas de hollín pueden arder por sí mismas o simplemente alejarse en forma de humo. La conocida forma de lágrima de la llama es un efecto causado por la gravedad. El aire caliente sube y atrae aire fresco detrás de él. Esto se llama flotabilidad y es lo que hace que la llama se dispare y parpadee.
¿Pero qué ocurre cuando se enciende una vela, por ejemplo, en la Estación Espacial Internacional (ISS)?
«En microgravedad, las llamas arden de forma diferente: forman pequeñas esferas», dice Williams.
Las esferas llameantes de la ISS resultan ser unos minilaboratorios maravillosos para la investigación de la combustión. A diferencia de las llamas en la Tierra, que se expanden con avidez cuando necesitan más combustible, las esferas de llamas dejan que el oxígeno venga a ellas. El oxígeno y el combustible se combinan en una zona estrecha en la superficie de la esfera, no en toda la llama. Es un sistema mucho más sencillo.
Recientemente, Williams y sus colegas estaban realizando un experimento en la ISS llamado «FLEX» para aprender a apagar incendios en microgravedad cuando se encontraron con algo extraño. Pequeñas gotas de heptano estaban ardiendo dentro de la cámara de combustión del FLEX. Como estaba previsto, las llamas se apagaron, pero inesperadamente las gotitas de combustible siguieron ardiendo.
«Así es: parecían arder sin llamas», dice Williams. «Al principio nosotros mismos no lo creíamos».
De hecho, Williams cree que las llamas están ahí, sólo que son demasiado débiles para verlas. «Son llamas frías», explica.
El fuego ordinario y visible arde a una temperatura elevada, entre 1500K y 2000K. Las bolas de llamas de heptano en la ISS comenzaron en este régimen de «fuego caliente». Pero cuando las bolas de llama se enfriaron y empezaron a apagarse, se produjo un tipo de combustión diferente.
«Las llamas frías arden a la temperatura relativamente baja de 500K a 800K», dice Williams. «Y su química es completamente diferente. Las llamas normales producen hollín, CO2 y agua. Las llamas frías producen monóxido de carbono y formaldehído».
En la Tierra se han producido llamas frías similares, pero se apagan casi inmediatamente. En la ISS, sin embargo, las llamas frías pueden arder durante largos minutos.
«Estos resultados tienen implicaciones prácticas», señala Williams. «Por ejemplo, podrían conducir a encendidos de automóviles más limpios».
Una de las ideas en las que las empresas automovilísticas han trabajado durante años es el HCCI, abreviatura de «encendido por compresión de carga homogénea». En el cilindro del automóvil en lugar de una chispa habría un proceso de combustión más suave y menos contaminante en toda la cámara.
«La química del HCCI implica una química de llama fría», dice Williams. «El control adicional que obtenemos de la combustión en estado estacionario en la ISS nos dará valores de química más precisos para este tipo de investigación».
Apenas se está empezando, en efecto.
Créditos:
Autor: Dr. Tony Phillips | Editor de producción: Dr. Tony Phillips | Crédito: Science@NASA