June 18, 2013: Tuli, sanotaan usein, on ihmiskunnan vanhin kemiallinen koe.
Tuhansien vuosien ajan ihmiset ovat sekoittaneet maapallon happirikasta ilmaa lähes loputtomasti erilaisiin polttoaineisiin tuottaakseen kuumaa valovoimaista liekkiä. Palamisen oppimisen kaari ulottuu alkukantaisten ihmisten varhaisimmista leirinuotioista 21. vuosisadan moottoriteillä hurjasteleviin kehittyneimpiin autoihin. Insinöörit tutkivat palamista parempien polttomoottoreiden kehittämiseksi, kemistit tutkivat liekkejä eksoottisten reaktioiden löytämiseksi ja kokit kokeilevat tulta paremman ruoan valmistamiseksi.
Voisi luulla, ettei opittavaa ole enää paljon. Tohtori Forman A. Williams, UC San Diegon fysiikan professori, olisi eri mieltä. ”Kun on kyse tulesta”, hän sanoo, ”olemme vasta alussa.”
Liekkejä on vaikea ymmärtää, koska ne ovat monimutkaisia. Tavallisessa kynttilänliekissä tapahtuu tuhansia kemiallisia reaktioita. Kynttilän sydämen hiilivetymolekyylit höyrystyvät ja halkeavat erilleen lämmön vaikutuksesta. Ne yhdistyvät hapen kanssa tuottaen valoa, lämpöä, hiilidioksidia ja vettä. Osa hiilivetypalasista muodostaa rengasmaisia molekyylejä, joita kutsutaan polysyklisiksi aromaattisiksi hiilivedyiksi, ja lopulta nokea. Nokihiukkaset voivat itsessään palaa tai vain ajautua pois savuna. Liekin tuttu pisaran muoto on painovoiman aiheuttama vaikutus. Kuuma ilma nousee ylös ja vetää perässään kylmää ilmaa. Tätä kutsutaan kelluvuudeksi, ja se saa liekin nousemaan ja välkkymään.
Mutta mitä tapahtuu, kun sytytät kynttilän vaikkapa kansainvälisellä avaruusasemalla (ISS)?
”Mikrogravitaatiossa liekit palavat eri tavalla – ne muodostavat pieniä palloja”, Williams sanoo.
Liekehtivät pallot ISS:llä osoittautuvat loistaviksi minilaboratorioiksi palamistutkimukseen. Toisin kuin maapallon liekit, jotka laajenevat ahnaasti, kun ne tarvitsevat lisää polttoainetta, liekkipallot antavat hapen tulla niiden luo. Happi ja polttoaine yhdistyvät kapealla vyöhykkeellä pallon pinnalla, eivät koko liekissä. Se on paljon yksinkertaisempi järjestelmä.
Hiljattain Williams ja kollegat tekivät ISS:llä ”FLEX”-nimistä koetta oppiakseen, miten tulipaloja sammutetaan mikrogravitaatiossa, kun he törmäsivät johonkin outoon. Pieniä heptaanipisaroita paloi FLEXin polttokammion sisällä. Liekit sammuivat suunnitellusti, mutta yllättäen polttoainepisarat jatkoivat palamistaan.
”Aivan oikein – ne näyttivät palavan ilman liekkejä”, Williams sanoo. ”Aluksi emme itsekään uskoneet sitä.”
Itse asiassa Williams uskoo, että liekit ovat siellä, vain liian heikosti havaittavissa. ”Nämä ovat viileitä liekkejä”, hän selittää.
Tavallinen, näkyvä tuli palaa korkeassa lämpötilassa 1500K ja 2000K välillä. Heptaanin liekkipallot ISS:llä alkoivat tässä ”kuumassa tulessa”. Mutta kun liekkipallot jäähtyivät ja alkoivat sammua, toisenlainen palaminen otti vallan.
”Viileät liekit palavat suhteellisen alhaisessa lämpötilassa 500K – 800K”, Williams sanoo. ”Ja niiden kemia on täysin erilainen. Tavalliset liekit tuottavat nokea, hiilidioksidia ja vettä. Viileät liekit tuottavat hiilimonoksidia ja formaldehydiä.”
Maassa on tuotettu samanlaisia viileitä liekkejä, mutta ne sammuvat lähes välittömästi. ISS:llä viileät liekit voivat kuitenkin palaa pitkiä minuutteja.
”Näillä tuloksilla on käytännön vaikutuksia”, Williams toteaa. ”Ne voivat esimerkiksi johtaa puhtaampiin autojen sytytyksiin.”
Yksi ideoista, jonka parissa autoyhtiöt ovat työskennelleet vuosia, on HCCI – lyhenne sanoista ”homogeneous charge compression ignition”. Auton sylinterissä tapahtuisi kipinän sijasta lempeämpi, vähemmän saastuttava palamisprosessi koko kammiossa.
”HCCI:n kemiaan kuuluu viileän liekin kemia”, Williams sanoo. ”Lisäkontrolli, jonka saamme ISS:llä tapahtuvasta tasaisesta palamisesta, antaa meille tarkempia kemian arvoja tämäntyyppistä tutkimusta varten.”
Olemme todellakin vasta alussa.
Krediitit:
Author: Tohtori Tony Phillips | Tuotantotoimittaja: Tohtori Tony Phillips | Tuotantotoimittaja: Tohtori Tony Phillips: Tony Phillips | Luotto: Science@NASA