18 czerwca 2013 r: Ogień, jak się często mówi, jest najstarszym eksperymentem chemicznym ludzkości.
Przez tysiące lat ludzie mieszali bogate w tlen powietrze na Ziemi z niemal nieskończoną różnorodnością paliw, aby wytworzyć gorący, świecący płomień. Istnieje łuk nauki o spalaniu, który rozciąga się od najwcześniejszych ognisk prymitywnych ludzi do najbardziej zaawansowanych samochodów ścigających się po superautostradach XXI wieku. Inżynierowie badają spalanie, by produkować lepsze silniki spalinowe; chemicy zaglądają w płomienie w poszukiwaniu egzotycznych reakcji; kucharze eksperymentują z ogniem, by gotować lepsze potrawy.
Można by pomyśleć, że nie ma wiele więcej do nauczenia się. Dr Forman A. Williams, profesor fizyki na UC San Diego, nie zgadza się z tym. „Jeśli chodzi o ogień”, mówi, „dopiero zaczynamy”.
Płomienie są trudne do zrozumienia, ponieważ są skomplikowane. W zwykłym płomieniu świecy zachodzą tysiące reakcji chemicznych. Cząsteczki węglowodorów z knota są odparowywane i rozbijane przez ciepło. Łączą się z tlenem, wytwarzając światło, ciepło, CO2 i wodę. Niektóre fragmenty węglowodorów tworzą cząsteczki w kształcie pierścieni, zwane wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi, a w końcu sadzę. Cząsteczki sadzy mogą się palić lub po prostu uchodzić z dymem. Znany kształt łezki płomienia jest efektem działania grawitacji. Gorące powietrze unosi się i ciągnie za sobą świeże, chłodne powietrze. Nazywa się to wypornością i to właśnie sprawia, że płomień wystrzeliwuje w górę i migocze.
Ale co się dzieje, gdy zapalasz świecę, powiedzmy, na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS)?
„W mikrograwitacji płomienie palą się inaczej – tworzą małe kule” – mówi Williams.
Płonące kule na ISS okazują się być wspaniałymi mini-labami do badań nad spalaniem. W przeciwieństwie do płomieni na Ziemi, które rozszerzają się zachłannie, gdy potrzebują więcej paliwa, kule płomieni pozwalają tlenowi przyjść do nich. Tlen i paliwo łączą się w wąskiej strefie na powierzchni kuli, a nie tu i ówdzie w całym płomieniu. Jest to o wiele prostszy system.
Ostatnio Williams i koledzy robili eksperyment na ISS o nazwie „FLEX”, aby dowiedzieć się, jak gasić pożary w mikrograwitacji, kiedy natknęli się na coś dziwnego. Małe kropelki heptanu paliły się wewnątrz komory spalania FLEX. Zgodnie z planem, płomienie zgasły, ale nieoczekiwanie kropelki paliwa nadal się paliły.
„To prawda – wydawało się, że płoną bez płomieni”, mówi Williams. „Na początku sami w to nie wierzyliśmy”.
W rzeczywistości Williams uważa, że płomienie tam są, tylko zbyt słabo widoczne. „To są chłodne płomienie”, wyjaśnia.
Zwykły, widoczny ogień spala się w wysokiej temperaturze pomiędzy 1500K a 2000K. Heptanowe kule płomieni na ISS zaczęły się w tym reżimie „gorącego ognia”. Ale gdy kule płomieniowe ostygły i zaczęły gasnąć, inny rodzaj spalania przejął kontrolę.
„Chłodne płomienie spalają się w stosunkowo niskiej temperaturze od 500K do 800K,” mówi Williams. „A ich chemia jest zupełnie inna. Normalne płomienie produkują sadzę, CO2 i wodę. Chłodne płomienie produkują tlenek węgla i formaldehyd.”
Podobne chłodne płomienie zostały wytworzone na Ziemi, ale gasną one niemal natychmiast. Na ISS, jednakże, chłodne płomienie mogą palić się przez długie minuty.
„Istnieją praktyczne implikacje tych wyników,” zauważa Williams. „Na przykład, mogą one prowadzić do czystszych zapłonów samochodowych”.
Jednym z pomysłów, nad którym firmy samochodowe pracowały od lat jest HCCI–skrót od „homogeneous charge compression ignition”. W cylindrze samochodowym zamiast iskry miałby miejsce łagodniejszy, mniej zanieczyszczający środowisko proces spalania w całej komorze.
„Chemia HCCI obejmuje chemię chłodnego płomienia,” mówi Williams. „Dodatkowa kontrola, jaką uzyskamy dzięki spalaniu w stanie ustalonym na ISS, da nam dokładniejsze wartości chemii dla tego typu badań”.
Just getting started, indeed.
Credits:
Autor: Dr. Tony Phillips | Redaktor produkcji: