Juni 18, 2013: Vuur, wordt vaak gezegd, is het oudste scheikunde-experiment van de mensheid.
Al duizenden jaren mengen mensen de zuurstofrijke lucht van de aarde met een bijna eindeloze variëteit aan brandstoffen om hete lichtgevende vlammen te produceren. Er is een leerproces over verbranding dat zich uitstrekt van de eerste kampvuren van primitieve mensen tot de meest geavanceerde auto’s die over de snelwegen van de 21e eeuw scheuren. Ingenieurs bestuderen verbranding om betere verbrandingsmotoren te produceren; scheikundigen turen in vlammen op zoek naar exotische reacties; chef-koks experimenteren met vuur om beter voedsel te koken.
Je zou denken dat er niet veel meer te leren valt. Dr. Forman A. Williams, een professor in de fysica aan de UC San Diego, zou het daar niet mee eens zijn. “Als het op vuur aankomt,” zegt hij, “zijn we nog maar net begonnen.”
Vlammen zijn moeilijk te begrijpen omdat ze ingewikkeld zijn. In een gewone kaarsvlam vinden duizenden chemische reacties plaats. Koolwaterstofmoleculen uit de pit worden verdampt en door hitte uit elkaar gebarsten. Ze verbinden zich met zuurstof en produceren licht, warmte, CO2 en water. Sommige van de koolwaterstoffragmenten vormen ringvormige moleculen, polycyclische aromatische koolwaterstoffen genaamd, en uiteindelijk roet. Roetdeeltjes kunnen zelf verbranden of gewoon wegdrijven als rook. De bekende traanvorm van de vlam is een effect dat wordt veroorzaakt door de zwaartekracht. Hete lucht stijgt op en trekt verse koele lucht achter zich aan. Dit heet drijfvermogen en is wat de vlam omhoog doet schieten en flikkeren.
Maar wat gebeurt er als je een kaars aansteekt, bijvoorbeeld in het International Space Station (ISS)?
“In microzwaartekracht branden vlammen anders – ze vormen kleine bolletjes,” zegt Williams.
Vlammende bollen in het ISS blijken prachtige mini-labs te zijn voor verbrandingsonderzoek. In tegenstelling tot vlammen op aarde, die gulzig uitzetten als ze meer brandstof nodig hebben, laten vlammenbollen de zuurstof naar zich toe komen. Zuurstof en brandstof komen samen in een smalle zone aan het oppervlak van de bol, niet heen en weer door de hele vlam. Het is een veel eenvoudiger systeem.
Onlangs waren Williams en collega’s bezig met een ISS-experiment genaamd “FLEX” om te leren hoe je branden in microzwaartekracht kunt blussen, toen ze iets vreemds tegenkwamen. Kleine druppeltjes heptaan brandden in de FLEX-verbrandingskamer. Zoals gepland, gingen de vlammen uit, maar onverwacht bleven de druppeltjes brandstof branden.
“Dat klopt – ze leken te branden zonder vlammen,” zegt Williams. “In het begin geloofden we het zelf niet.”
In feite gelooft Williams dat de vlammen er zijn, alleen te flauw om te zien. “Dit zijn koele vlammen,” legt hij uit.
Gewoon, zichtbaar vuur brandt bij een hoge temperatuur tussen 1500K en 2000K. Heptaan vlammenballen op de ISS begonnen in dit “heet vuur” regime. Maar toen de vlamballen afkoelden en begonnen uit te gaan, nam een ander soort verbranding het over.
“Koele vlammen branden bij de relatief lage temperatuur van 500K tot 800K,” zegt Williams. “En hun chemie is totaal anders. Normale vlammen produceren roet, CO2 en water. Koele vlammen produceren koolmonoxide en formaldehyde.”
Soortgelijke koele vlammen zijn op aarde geproduceerd, maar ze flikkeren vrijwel onmiddellijk uit. Op het ISS echter, kunnen koele vlammen lange minuten branden.
“Er zijn praktische implicaties van deze resultaten,” merkt Williams op. “Ze zouden bijvoorbeeld kunnen leiden tot schonere auto-ontstekingen.”
Een van de ideeën waar autobedrijven al jaren aan werken is HCCI–afkorting voor “homogene charge compression ignition.” In de autocilinder in plaats van een vonk zou er een zachter, minder vervuilend verbrandingsproces in de hele kamer zijn.
“De chemie van HCCI behelst koele vlamchemie,” zegt Williams. “De extra controle die we krijgen van steady-state verbranding op het ISS zal ons nauwkeurigere chemiewaarden geven voor dit soort onderzoek.”
Nog maar net begonnen, inderdaad.
Credits:
Auteur: Dr. Tony Phillips | Productie editor: Dr. Tony Phillips | Credit: Science@NASA