Junho 18, 2013: O fogo, diz-se frequentemente, é a experiência química mais antiga da humanidade.
Durante milhares de anos, as pessoas têm misturado o ar rico em oxigénio da Terra com uma variedade quase infinita de combustíveis para produzir chamas luminosas quentes. Há um arco de aprendizagem sobre combustão que se estende desde as primeiras fogueiras dos humanos primitivos até aos automóveis mais avançados que correm pelas super-estradas do século XXI. Engenheiros estudam a combustão para produzir melhores motores de combustão interna; químicos se aproximam das chamas em busca de reações exóticas; chefs experimentam o fogo para cozinhar melhor a comida.
Você pensaria que não há muito mais a aprender. O Dr. Forman A. Williams, um professor de física da UC San Diego, discordaria. “Quando se trata de fogo,” diz ele, “estamos apenas a começar.”
As chamas são difíceis de entender porque são complicadas. Em uma chama de vela comum, milhares de reações químicas acontecem. Moléculas de hidrocarbonetos do pavio são vaporizadas e quebradas pelo calor. Elas se combinam com o oxigênio para produzir luz, calor, CO2 e água. Alguns dos fragmentos de hidrocarbonetos formam moléculas em forma de anel chamadas hidrocarbonetos policíclicos aromáticos e, eventualmente, fuligem. As partículas de fuligem podem queimar ou simplesmente desaparecer como fumo. A forma familiar de lágrima da chama é um efeito causado pela gravidade. O ar quente sobe e aspira ar fresco e fresco por detrás dela. Isto é chamado de flutuação e é o que faz a chama disparar e cintilar.
Mas o que acontece quando se acende uma vela, digamos, na Estação Espacial Internacional (ISS)?
“Na microgravidade, as chamas queimam de forma diferente – elas formam pequenas esferas”, diz Williams.
As esferas em chamas no ISS acabam por ser mini-laboratórios maravilhosos para a pesquisa de combustão. Ao contrário das chamas na Terra, que se expandem avidamente quando precisam de mais combustível, as bolas de chama deixam o oxigênio chegar até elas. O oxigênio e o combustível combinam-se numa zona estreita na superfície da esfera, e não aqui e ali durante toda a chama. É um sistema muito mais simples.
Recentemente, Williams e colegas estavam a fazer uma experiência ISS chamada “FLEX” para aprender a apagar fogos em microgravidade quando se depararam com algo estranho. Pequenas gotículas de heptano estavam queimando dentro da câmara de combustão FLEX. Como planejado, as chamas se apagaram, mas inesperadamente as gotículas de combustível continuaram queimando.
“É verdade, eles pareciam estar a arder sem chamas”, diz Williams. “No início, nós próprios não acreditámos.”
Na verdade, Williams acredita que as chamas estão lá, apenas muito fracas para serem vistas. “Estas chamas são fixes”, explica ele.
Queimaduras de fogo comuns e visíveis a uma temperatura elevada entre 1500K e 2000K. As bolas de chama de Heptano na ISS começaram neste regime de “fogo quente”. Mas quando as bolas de chama esfriaram e começaram a se apagar, um tipo diferente de queimadura tomou conta.
“As chamas frias queimam à temperatura relativamente baixa de 500K a 800K”, diz Williams. “E a sua química é completamente diferente. As chamas normais produzem fuligem, CO2 e água. As chamas frias produzem monóxido de carbono e formaldeído”.
Chamas frias similares foram produzidas na Terra, mas elas tremulam quase imediatamente. Na ISS, no entanto, as chamas frias podem arder por longos minutos.
“Há implicações práticas destes resultados”, observa Williams. “Por exemplo, elas podem levar a uma ignição automática mais limpa.”
Uma das ideias que as empresas de automóveis têm trabalhado durante anos é HCCI… curto para “ignição por compressão de carga homogénea”. No cilindro do automóvel em vez de uma faísca, haveria um processo de combustão mais suave e menos poluente em toda a câmara.
“A química do HCCI envolve a química das chamas frias”, diz Williams. “O controle extra que obtemos da queima estável no ISS nos dará valores químicos mais precisos para este tipo de pesquisa”.
Apenas a começar, de facto.
Créditos:
Autor: Dr. Tony Phillips | Editor de produção: Dr. Tony Phillips | Crédito: Science@NASA