June 18, 2013. június 18: Gyakran mondják, hogy a tűz az emberiség legrégebbi kémiai kísérlete.
Az emberek évezredek óta keverik a Föld oxigéndús levegőjét szinte végtelen számú tüzelőanyaggal, hogy forró, világító lángot hozzanak létre. Az égés megismerésének íve a primitív emberek legkorábbi tábortüzeitől a 21. század szupersztrádaútjain száguldó legfejlettebb automobilokig terjed. Mérnökök tanulmányozzák az égést, hogy jobb belsőégésű motorokat gyártsanak; vegyészek egzotikus reakciókat keresve néznek bele a lángokba; szakácsok kísérleteznek a tűzzel, hogy jobb ételeket főzzenek.
Azt hihetnénk, hogy nincs több tanulnivaló. Dr. Forman A. Williams, a San Diegó-i Kaliforniai Egyetem fizikaprofesszora ezzel nem értene egyet. “Amikor a tűzről van szó”, mondja, “még csak most kezdtük el”.
A lángokat nehéz megérteni, mert bonyolultak. Egy közönséges gyertyalángban több ezer kémiai reakció zajlik. A kanóc szénhidrogénmolekulái a hő hatására elpárolognak és szétrepednek. Oxigénnel egyesülve fény, hő, CO2 és víz keletkezik. A szénhidrogéndarabkák egy része gyűrű alakú molekulákat, úgynevezett policiklikus aromás szénhidrogéneket és végül kormot alkot. A koromrészecskék maguk is eléghetnek, vagy egyszerűen füstként elsodródhatnak. A láng ismert könnycsepp alakja a gravitáció okozta hatás. A forró levegő felemelkedik, és friss, hideg levegőt vonz maga után. Ezt nevezik felhajtóerőnek, és ez az, ami a lángot felfelé lövellővé és pislákolóvá teszi.
De mi történik, ha meggyújtunk egy gyertyát, mondjuk a Nemzetközi Űrállomáson (ISS)?
“A mikrogravitációban a lángok másképp égnek – kis gömböket alkotnak” – mondja Williams.
A lángoló gömbök az ISS-en csodálatos minilaboratóriumnak bizonyulnak az égéskutatáshoz. A földi lángokkal ellentétben, amelyek mohón tágulnak, ha több üzemanyagra van szükségük, a lánggggömbök hagyják, hogy az oxigén hozzájuk jöjjön. Az oxigén és a tüzelőanyag egy szűk zónában egyesül a gömb felszínén, nem pedig ide-oda az egész lángban. Ez egy sokkal egyszerűbb rendszer.
Nemrég Williams és kollégái egy “FLEX” nevű ISS-kísérletet végeztek, hogy megtanulják, hogyan lehet tüzet oltani mikrogravitációban, amikor valami furcsa dologra bukkantak. A FLEX égőkamrájában apró heptáncseppek égtek. A tervek szerint a lángok kialudtak, de váratlanul az üzemanyagcseppek tovább égtek.
“Így van – úgy tűnt, hogy lángok nélkül égnek” – mondja Williams. “Először mi magunk sem hittük el.”
Valójában Williams szerint a lángok ott vannak, csak túl halványak ahhoz, hogy lássuk őket. “Ezek hűvös lángok” – magyarázza.
A közönséges, látható tűz magas, 1500K és 2000K közötti hőmérsékleten ég. Az ISS-en lévő heptán lángggömbök ebben a “forró tűz” üzemmódban indultak el. De ahogy a lángggömbök lehűltek és kialudni kezdtek, egy másfajta égés vette át az uralmat.
“A hűvös lángok viszonylag alacsony, 500K és 800K közötti hőmérsékleten égnek” – mondja Williams. “És a kémiájuk teljesen más. A normál lángok kormot, CO2-t és vizet termelnek. A hűvös lángok szén-monoxidot és formaldehidet termelnek.”
Hasonló hideg lángokat már a Földön is előállítottak, de ezek szinte azonnal kialszanak. Az ISS-en azonban a hűvös lángok hosszú percekig éghetnek.
“Ezeknek az eredményeknek gyakorlati következményei is vannak” – jegyzi meg Williams. “Például tisztább autógyújtásokhoz vezethetnek”.
Az egyik ötlet, amelyen az autógyárak évek óta dolgoznak, a HCCI – a “homogén töltésű kompressziós gyújtás” rövidítése. Az autóhengerben a szikra helyett egy kíméletesebb, kevésbé szennyező égési folyamat zajlana az egész kamrában.
“A HCCI kémiája hűvös lángkémia” – mondja Williams. “Az ISS-en történő állandósult égésből származó extra ellenőrzés révén pontosabb kémiai értékeket kapunk az ilyen típusú kutatásokhoz.”
Valóban csak most kezdtük el.
Credits:
Szerző:
A szerző: Dr. Tony Phillips | Gyártószerkesztő: Dr. Tony Phillips: Dr. Tony Phillips | Hitel: Science@NASA