18 juin 2013 : Le feu, dit-on souvent, est la plus ancienne expérience de chimie de l’humanité.
Pendant des milliers d’années, les gens ont mélangé l’air riche en oxygène de la Terre avec une variété presque infinie de combustibles pour produire une flamme lumineuse chaude. Il y a un arc d’apprentissage sur la combustion qui s’étend des premiers feux de camp des humains primitifs aux automobiles les plus avancées qui dévalent les autoroutes du 21e siècle. Les ingénieurs étudient la combustion pour produire de meilleurs moteurs à combustion interne ; les chimistes scrutent les flammes à la recherche de réactions exotiques ; les chefs cuisiniers expérimentent avec le feu pour cuisiner de meilleurs aliments.
On pourrait croire qu’il n’y a plus grand chose à apprendre. Le Dr Forman A. Williams, professeur de physique à l’université de San Diego, ne serait pas d’accord. « Quand il s’agit du feu, dit-il, nous ne faisons que commencer ».
Les flammes sont difficiles à comprendre parce qu’elles sont compliquées. Dans une flamme de bougie ordinaire, des milliers de réactions chimiques ont lieu. Les molécules d’hydrocarbures de la mèche sont vaporisées et craquées par la chaleur. Elles se combinent avec l’oxygène pour produire de la lumière, de la chaleur, du CO2 et de l’eau. Certains des fragments d’hydrocarbures forment des molécules annulaires appelées hydrocarbures aromatiques polycycliques et, finalement, de la suie. Les particules de suie peuvent elles-mêmes brûler ou simplement s’échapper sous forme de fumée. La forme familière de larme de la flamme est un effet causé par la gravité. L’air chaud monte et attire l’air frais derrière lui. C’est ce qu’on appelle la flottabilité et c’est ce qui fait que la flamme s’élève et vacille.
Mais que se passe-t-il lorsque vous allumez une bougie, disons, sur la station spatiale internationale (ISS) ?
« En microgravité, les flammes brûlent différemment – elles forment de petites sphères », explique Williams.
Les sphères enflammées de l’ISS se révèlent être de merveilleux mini-laboratoires pour la recherche sur la combustion. Contrairement aux flammes sur Terre, qui se dilatent avidement lorsqu’elles ont besoin de plus de carburant, les boules de flammes laissent l’oxygène venir à elles. L’oxygène et le combustible se combinent dans une zone étroite à la surface de la sphère, et non dans toute la flamme. C’est un système beaucoup plus simple.
Récemment, Williams et ses collègues réalisaient une expérience de l’ISS appelée « FLEX » pour apprendre à éteindre les incendies en microgravité quand ils sont tombés sur quelque chose d’étrange. De petites gouttelettes d’heptane brûlaient à l’intérieur de la chambre de combustion FLEX. Comme prévu, les flammes se sont éteintes, mais de manière inattendue, les gouttelettes de carburant ont continué à brûler.
« C’est exact – elles semblaient brûler sans flammes », dit Williams. « Au début, nous ne le croyions pas nous-mêmes ».
En fait, Williams pense que les flammes sont là, juste trop faibles pour être vues. « Ce sont des flammes froides », explique-t-il.
Le feu ordinaire, visible, brûle à une température élevée, entre 1500K et 2000K. Les boules de flammes d’heptane sur l’ISS ont commencé dans ce régime de « feu chaud ». Mais lorsque les boules de flammes se sont refroidies et ont commencé à s’éteindre, un autre type de combustion a pris le dessus.
« Les flammes froides brûlent à la température relativement basse de 500K à 800K », explique Williams. « Et leur chimie est complètement différente. Les flammes normales produisent de la suie, du CO2 et de l’eau. Les flammes froides produisent du monoxyde de carbone et du formaldéhyde. »
Des flammes froides similaires ont été produites sur Terre, mais elles s’éteignent presque immédiatement. Sur l’ISS, en revanche, les flammes froides peuvent brûler pendant de longues minutes.
« Ces résultats ont des implications pratiques », note Williams. « Par exemple, ils pourraient conduire à des allumages automobiles plus propres ».
L’une des idées sur lesquelles les constructeurs automobiles travaillent depuis des années est le HCCI – abréviation de « homogeneous charge compression ignition. » Dans le cylindre automobile, au lieu d’une étincelle, il y aurait un processus de combustion plus doux et moins polluant dans toute la chambre.
« La chimie du HCCI implique une chimie de flamme froide », explique Williams. « Le contrôle supplémentaire que nous obtenons de la combustion en régime permanent sur l’ISS nous donnera des valeurs chimiques plus précises pour ce type de recherche. »
On ne fait que commencer, en effet.
Crédits :
Auteur : Dr. Tony Phillips | Editeur de production : Tony Phillips | Crédit : Science@NASA