June 18, 2013: Focul, se spune adesea, este cel mai vechi experiment de chimie al omenirii.
Timp de mii de ani, oamenii au amestecat aerul bogat în oxigen al Pământului cu o varietate aproape nesfârșită de combustibili pentru a produce flăcări luminoase fierbinți. Există un arc de învățare despre combustie care se întinde de la primele focuri de tabără ale oamenilor primitivi până la cele mai avansate automobile care aleargă pe super-autostrăzile secolului XXI. Inginerii studiază arderea pentru a produce motoare cu combustie internă mai bune; chimiștii se uită în flăcări în căutarea unor reacții exotice; bucătarii experimentează cu focul pentru a găti alimente mai bune.
Ați putea crede că nu mai este mult de învățat. Dr. Forman A. Williams, profesor de fizică la UC San Diego, nu ar fi de acord. „Când vine vorba de foc”, spune el, „suntem abia la început”.
Flăcările sunt greu de înțeles pentru că sunt complicate. În flacăra unei lumânări obișnuite, au loc mii de reacții chimice. Moleculele de hidrocarburi din fitil sunt vaporizate și fisurate de căldură. Acestea se combină cu oxigenul pentru a produce lumină, căldură, CO2 și apă. Unele dintre fragmentele de hidrocarburi formează molecule în formă de inel numite hidrocarburi aromatice policiclice și, în cele din urmă, funingine. Particulele de funingine pot arde ele însele sau pur și simplu se pot îndepărta sub formă de fum. Forma familiară de lacrimă a flăcării este un efect cauzat de gravitație. Aerul cald se ridică și atrage după el aer proaspăt și rece. Acest efect se numește flotabilitate și este ceea ce face ca flacăra să se ridice și să pâlpâie.
Dar ce se întâmplă când aprindeți o lumânare, să zicem, pe Stația Spațială Internațională (ISS)?
„În microgravitație, flăcările ard diferit – ele formează mici sfere”, spune Williams.
Sferele în flăcări de pe ISS se dovedesc a fi minilaboratoare minunate pentru cercetarea combustiei. Spre deosebire de flăcările de pe Pământ, care se extind cu lăcomie atunci când au nevoie de mai mult combustibil, sferele de flăcări lasă oxigenul să vină la ele. Oxigenul și combustibilul se combină într-o zonă îngustă la suprafața sferei, nu încoace și încolo în toată flacăra. Este un sistem mult mai simplu.
Recent, Williams și colegii săi făceau un experiment pe ISS numit „FLEX” pentru a învăța cum să stingă incendiile în microgravitație, când au dat peste ceva ciudat. Picături mici de heptan ardeau în interiorul camerei de combustie FLEX. Conform planului, flăcările s-au stins, dar, în mod neașteptat, picăturile de combustibil au continuat să ardă.
„Așa este – ele păreau să ardă fără flăcări”, spune Williams. „La început nu ne-a venit să credem nici nouă înșine”.
De fapt, Williams crede că flăcările sunt acolo, doar că sunt prea slabe pentru a fi văzute. „Acestea sunt flăcări reci”, explică el.
Focul obișnuit, vizibil, arde la o temperatură ridicată între 1500K și 2000K. Bilele de flăcări de heptan de pe ISS au început în acest regim de „foc fierbinte”. Dar, pe măsură ce bilele de flacără s-au răcit și au început să se stingă, un alt tip de ardere a preluat controlul.
„Flăcările reci ard la o temperatură relativ scăzută, între 500K și 800K”, spune Williams. „Iar chimia lor este complet diferită. Flăcările normale produc funingine, CO2 și apă. Flăcările reci produc monoxid de carbon și formaldehidă.”
Pe Pământ au fost produse flăcări reci similare, dar acestea se sting aproape imediat. Pe ISS, însă, flăcările reci pot arde timp de minute lungi.
„Există implicații practice ale acestor rezultate”, notează Williams. „De exemplu, ele ar putea duce la aprinderi auto mai curate”.
Una dintre ideile la care companiile auto lucrează de ani de zile este HCCI – prescurtarea de la „homogeneous charge compression ignition”. În cilindrul automobilului, în loc de o scânteie, ar avea loc un proces de combustie mai blând și mai puțin poluant în toată camera.
„Chimia HCCI implică o chimie a flăcării reci”, spune Williams. „Controlul suplimentar pe care îl obținem din arderea în regim staționar pe ISS ne va oferi valori chimice mai precise pentru acest tip de cercetare.”
Într-adevăr, abia am început.
Credite:
Autor:
Autor: Prof: Dr. Tony Phillips | Editor de producție: Dr. Tony Phillips | Credit: Science@NASA