18 giugno 2013: Il fuoco, si dice spesso, è il più antico esperimento di chimica dell’umanità.

Per migliaia di anni, gli uomini hanno mescolato l’aria ricca di ossigeno della Terra con una varietà quasi infinita di combustibili per produrre una fiamma calda e luminosa. C’è un arco di apprendimento sulla combustione che si estende dai primi falò degli uomini primitivi alle automobili più avanzate che corrono lungo le autostrade del 21° secolo. Gli ingegneri studiano la combustione per produrre migliori motori a combustione interna; i chimici scrutano le fiamme alla ricerca di reazioni esotiche; gli chef sperimentano il fuoco per cucinare cibi migliori.

Si potrebbe pensare che non ci sia molto altro da imparare. Il dottor Forman A. Williams, professore di fisica alla UC San Diego, non sarebbe d’accordo. “Quando si tratta di fuoco”, dice, “abbiamo appena iniziato”.

Strane fiamme sulla ISS
Un nuovo video di ScienceCast esplora il sorprendente comportamento delle “fiamme fredde” sulla Stazione Spaziale Internazionale. Riproducilo

Le fiamme sono difficili da capire perché sono complicate. In una normale fiamma di candela avvengono migliaia di reazioni chimiche. Le molecole di idrocarburi dello stoppino vengono vaporizzate e spezzate dal calore. Si combinano con l’ossigeno per produrre luce, calore, CO2 e acqua. Alcuni dei frammenti di idrocarburi formano molecole a forma di anello chiamate idrocarburi policiclici aromatici e, infine, fuliggine. Le particelle di fuliggine possono bruciare esse stesse o semplicemente allontanarsi come fumo. La familiare forma a goccia della fiamma è un effetto causato dalla gravità. L’aria calda sale e attira aria fresca dietro di sé. Questo si chiama galleggiamento ed è ciò che fa sì che la fiamma salga e sfarfalli.

Ma cosa succede quando si accende una candela, diciamo, sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS)?

February Fireballs (signup)

“In microgravità, le fiamme bruciano diversamente – formano piccole sfere”, dice Williams.

Le sfere infuocate sulla ISS si rivelano essere dei meravigliosi mini-laboratori per la ricerca sulla combustione. A differenza delle fiamme sulla Terra, che si espandono avidamente quando hanno bisogno di più carburante, le sfere di fiamma lasciano che l’ossigeno vada da loro. L’ossigeno e il combustibile si combinano in una zona ristretta sulla superficie della sfera, non qua e là per tutta la fiamma. È un sistema molto più semplice.

Recentemente, Williams e colleghi stavano facendo un esperimento sulla ISS chiamato “FLEX” per imparare a spegnere gli incendi in microgravità quando si sono imbattuti in qualcosa di strano. Piccole gocce di eptano stavano bruciando all’interno della camera di combustione di FLEX. Come previsto, le fiamme si sono spente, ma inaspettatamente le gocce di combustibile hanno continuato a bruciare.

“Proprio così: sembravano bruciare senza fiamme”, dice Williams. “All’inizio non ci credevamo nemmeno noi”.

Strane fiamme sulla ISS (goccia)
Un’immagine a colori di una goccia di carburante in fiamme. Più

In effetti, Williams crede che le fiamme siano lì, solo troppo deboli da vedere. “Queste sono fiamme fredde”, spiega.

Il fuoco ordinario e visibile brucia ad un’alta temperatura tra 1500K e 2000K. Le palle di fiamma di eptano sulla ISS hanno iniziato in questo regime di “fuoco caldo”. Ma quando le palle di fiamma si sono raffreddate e hanno cominciato a spegnersi, è subentrato un altro tipo di combustione.

“Le fiamme fredde bruciano alla temperatura relativamente bassa di 500K a 800K”, dice Williams. “E la loro chimica è completamente diversa. Le fiamme normali producono fuliggine, CO2 e acqua. Le fiamme fredde producono monossido di carbonio e formaldeide”.

Simili fiamme fredde sono state prodotte sulla Terra, ma si spengono quasi immediatamente. Sulla ISS, invece, le fiamme fredde possono bruciare per lunghi minuti.

“Ci sono implicazioni pratiche di questi risultati”, nota Williams. “Per esempio, potrebbero portare ad accensioni auto più pulite”.

Una delle idee su cui le compagnie automobilistiche hanno lavorato per anni è l’HCCI, abbreviazione di “homogeneous charge compression ignition”. Nel cilindro dell’automobile invece di una scintilla ci sarebbe un processo di combustione più dolce e meno inquinante in tutta la camera.

“La chimica della HCCI coinvolge la chimica della fiamma fredda”, dice Williams. “Il controllo extra che otteniamo dalla combustione in stato stazionario sulla ISS ci darà valori di chimica più accurati per questo tipo di ricerca”.

Appena iniziato, davvero.

Crediti:

Autore: Dr. Tony Phillips | Editor di produzione: Dr. Tony Phillips | Credit: [email protected]

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