June 18, 2013: 火は人類最古の化学実験であるとよく言われます。
何千年もの間、人々は地球の酸素が豊富な空気と、ほとんど無限の種類の燃料を混ぜて、高温の発光する炎を作り出してきたのです。 原始人のキャンプファイヤーから、21世紀のスーパーハイウェイを走る最先端の自動車まで、燃焼に関する学びの弧は広がっているのです。 エンジニアはより良い内燃機関を作るために燃焼を研究し、化学者はエキゾチックな反応を求めて炎を覗き込み、シェフはより美味しい料理を作るために火を使って実験する。
これ以上学ぶことはないと思われるかもしれません。 カリフォルニア大学サンディエゴ校の物理学教授、フォアマン・A・ウィリアムズ博士はそう考えないでしょう。 「火に関しては、私たちはまだ始まったばかりなのです」と彼は言います。
炎は複雑なため理解するのが難しい。 普通のろうそくの炎では、何千もの化学反応が起こっている。 芯の炭化水素分子が気化し、熱で分解される。 それが酸素と結びついて、光、熱、CO2、水を発生させる。 炭化水素の破片は、多環芳香族炭化水素と呼ばれるリング状の分子を形成し、最終的には煤となる。 煤はそれ自体が燃えることもあれば、煙となって漂うこともある。 炎が涙型に見えるのは、重力の影響である。 高温の空気は上昇し、新鮮な冷気を後ろに引き寄せます。 これが浮力と呼ばれるもので、これが炎の上昇と揺らめきを生み出しているのです。
しかし、たとえば国際宇宙ステーション（ISS）でロウソクに火をつけるとどうなるでしょうか？
「微小重力下では、炎は違った形で燃え、小さな球を形成します」とウィリアムズは話します。
ISS での炎の球体は、燃焼研究のための素晴らしいミニラボであることが判明しました。 地球上の炎は、燃料が足りなくなると貪欲に膨張しますが、炎球は酸素を取り込んでくれます。 酸素と燃料は球体の表面の狭い範囲で結合し、炎全体があちこちに広がることはない。 よりシンプルなシステムですね。
最近、ウィリアムズと同僚たちは、微小重力下での消火方法を学ぶために「FLEX」というISS実験を行っていましたが、そこで奇妙なことに出会いました。 FLEXの燃焼室の中で、ヘプタンの小さな液滴が燃えていたのです。 計画通り、炎は消えましたが、予想外に燃料の液滴は燃え続けていたのです。
実際、炎はそこにあるが、かすかで見えないだけだとウィリアムズは考えている。 「これはクールな炎です」と彼は説明します。
通常の目に見える火は、1500Kから2000Kの高温で燃えます。 ISSのヘプタン火炎球は、最初はこの「高温の火」の状態でした。 しかし、炎球が冷えて消え始めると、別の種類の燃焼が引き継がれました。
「冷たい炎は、500Kから800Kという比較的低い温度で燃えます」と、ウィリアムズは言います。 「そして、その化学的性質はまったく異なるものです。 通常の炎は、すす、CO2、水を発生させます。 涼しい炎は一酸化炭素とホルムアルデヒドを発生させます。”
地球上でも同様の冷たい炎が作られていますが、それらはほとんどすぐに消えてしまいます。 しかし、ISSでは、冷たい炎が何分間も燃え続けることがある。
「これらの結果には実用的な意味があります」とウィリアムズは指摘します。 「例えば、自動車の点火をよりきれいにすることにつながるかもしれません。
自動車会社が何年も取り組んできたアイデアの1つが、HCCI–“homogeneous charge compression ignition “の略–です。 自動車のシリンダーでは、火花の代わりに、チャンバー全体でより穏やかで汚染の少ない燃焼プロセスが行われることになります。
「HCCIの化学は、クールな炎の化学を含んでいます」とWilliamsは言います。 「ISSでの定常燃焼から得られる余分な制御は、この種の研究のために、より正確な化学的価値を与えてくれるでしょう」。
確かに始まったばかりですね。
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著者。 トニー・フィリップス博士｜Production editor: Dr. Tony Phillips｜クレジット：Science@NASA＜5667＞。