Das an Bord der Internationalen Raumstation durchgeführte Experiment ergab unerwartete Ergebnisse - die offene Flamme verhielt sich überhaupt nicht so, wie Wissenschaftler es erwartet hatten.
Wie einige Wissenschaftler gerne sagen, ist Feuer das älteste und erfolgreichste chemische Experiment der Menschheit. In der Tat war Feuer immer bei der Menschheit: von den ersten Freudenfeuern, auf denen Fleisch gebraten wurde, bis zur Flamme eines Raketentriebwerks, das eine Person zum Mond brachte. Im Großen und Ganzen ist Feuer ein Symbol und ein Instrument für den Fortschritt unserer Zivilisation.
Dr. Forman A. Williams, Professor für Physik an der University of California in San Diego, hat eine lange Geschichte in der Erforschung von Flammen. Feuer ist normalerweise ein komplexer Prozess aus Tausenden miteinander verbundener chemischer Reaktionen. Beispielsweise verdampfen in einer Kerzenflamme Kohlenwasserstoffmoleküle aus dem Docht, zersetzen sich bei Hitzeeinwirkung und verbinden sich mit Sauerstoff zu Licht, Wärme, CO2 und Wasser. Einige der Kohlenwasserstoffeinheiten in Form ringförmiger Moleküle, die als polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe bezeichnet werden, bilden Ruß, der ebenfalls verbrennen oder sich in Rauch verwandeln kann. Die bekannte Tropfenform des Kerzenlichts ist durch Schwerkraft und Konvektion gegeben: Heiße Luft steigt nach oben und zieht frische kalte Luft in die Flamme, wodurch die Flamme nach oben gezogen wird.
Es stellt sich jedoch heraus, dass in der Schwerelosigkeit alles anders abläuft. In einem Experiment namens FLEX untersuchten Wissenschaftler das Feuer an Bord der ISS, um Technologien zum Löschen von Bränden in der Schwerelosigkeit zu entwickeln. Die Forscher entzündeten kleine Heptanblasen in einer speziellen Kammer und beobachteten, wie sich die Flammen verhielten.
Wissenschaftler sind mit einem seltsamen Phänomen konfrontiert. In der Schwerelosigkeit brennt die Flamme anders und bildet kleine Kugeln. Dieses Phänomen wurde erwartet, weil sich Sauerstoff und Brennstoff im Gegensatz zu einer Flamme auf der Erde in der Schwerelosigkeit in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche einer Kugel treffen. Dies ist ein einfaches Schema, das sich vom irdischen Feuer unterscheidet. Es wurde jedoch eine Kuriosität entdeckt: Wissenschaftler beobachteten das fortgesetzte Verbrennen von Feuerbällen, selbst nachdem nach allen Berechnungen die Verbrennung hätte aufhören müssen. Gleichzeitig ging das Feuer in die sogenannte kalte Phase über - es brannte sehr schwach, so sehr, dass die Flamme nicht gesehen werden konnte. Es brannte jedoch und die Flamme konnte beim Kontakt mit Kraftstoff und Sauerstoff sofort mit großer Kraft ausbrechen.
Normalerweise brennt sichtbares Feuer bei hohen Temperaturen zwischen 1227 und 1727 Grad Celsius. Die Heptanblasen auf der ISS brannten bei dieser Temperatur ebenfalls hell, aber als der Kraftstoff erschöpft und abgekühlt war, begann eine völlig andere Verbrennung - kalt. Es findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 227-527 Grad Celsius statt und produziert keinen Ruß, CO2 und Wasser, sondern das giftigere Kohlenmonoxid und Formaldehyd.
Ähnliche Arten von kalten Flammen wurden in Labors auf der Erde reproduziert, aber unter Schwerkraftbedingungen ist ein solches Feuer selbst instabil und erlischt immer schnell. Auf der ISS kann eine kalte Flamme jedoch mehrere Minuten lang gleichmäßig brennen. Dies ist keine sehr angenehme Entdeckung, da kaltes Feuer eine erhöhte Gefahr darstellt: Es entzündet sich leichter, auch spontan, ist schwieriger zu erkennen und setzt darüber hinaus giftigere Substanzen frei. Andererseits kann die Entdeckung praktische Anwendung finden, beispielsweise in der HCCI-Technologie, bei der Kraftstoff in Benzinmotoren nicht aus Kerzen, sondern aus einer kalten Flamme gezündet wird.
Werbevideo:
Dieses Bild wurde während eines Experiments aufgenommen, um die Physik der Verbrennung in einem speziellen 30-Meter-Turm (2,2-Sekunden-Fallturm) des John Glenn Research Center (Glenn Research Center) zu untersuchen, der erstellt wurde, um die Bedingungen der Mikrogravitation im freien Fall zu simulieren. Viele Experimente, die dann an Raumfahrzeugen durchgeführt wurden, wurden in diesem Turm vorab getestet, daher wird er als "Tor zum Weltraum" bezeichnet.
Die Kugelform der Flamme erklärt sich aus der Tatsache, dass unter Schwerelosigkeitsbedingungen keine aufsteigende Luftbewegung stattfindet und keine Konvektion ihrer warmen und kalten Schichten auftritt, was die Flamme auf der Erde in eine Tropfenform "zieht". Die Flamme für die Verbrennung hat nicht genügend Frischluft, die Sauerstoff enthält, und sie ist kleiner und nicht so heiß. Die gelb-orange Farbe der Flamme, die uns auf der Erde bekannt ist, wird durch das Leuchten von Rußpartikeln verursacht, die mit einem heißen Luftstrom nach oben steigen. In der Schwerelosigkeit nimmt die Flamme eine blaue Farbe an, da sich wenig Ruß bildet (dies erfordert eine Temperatur von mehr als 1000 ° C) und der Ruß, der aufgrund der niedrigeren Temperatur entsteht, nur im Infrarotbereich leuchtet. Auf dem oberen Foto ist die gelb-orange Farbe noch in der Flamme vorhanden, da das frühe Stadium der Zündung erfasst wird, wenn noch genügend Sauerstoff vorhanden ist.
Untersuchungen zur Verbrennung in der Schwerelosigkeit sind besonders wichtig, um die Sicherheit von Raumfahrzeugen zu gewährleisten. Seit einigen Jahren werden FLEX-Experimente (Flame Extinguishment Experiment) in einem speziellen Abteil an Bord der ISS durchgeführt. Die Forscher entzünden kleine Kraftstofftröpfchen (wie Heptan und Methanol) in einer kontrollierten Atmosphäre. Ein kleiner Brennstoffball brennt etwa 20 Sekunden lang, umgeben von einer Feuerkugel mit einem Durchmesser von 2,5 bis 4 mm. Danach nimmt der Tropfen ab, bis entweder die Flamme erlischt oder der Brennstoff ausgeht. Das unerwartetste Ergebnis war, dass ein Tropfen Heptan nach sichtbarer Verbrennung in die sogenannte "kalte Phase" überging - die Flamme wurde so schwach, dass es unmöglich war, sie zu sehen. Und doch brannte es: Bei der Wechselwirkung mit Sauerstoff oder Kraftstoff konnte sofort Feuer ausbrechen.
Wie die Forscher erklären, schwankt die Flammentemperatur während der normalen Verbrennung zwischen 1227 ° C und 1727 ° C - bei dieser Temperatur im Experiment gab es ein sichtbares Feuer. Als der Brennstoff verbrannte, begann die „kalte Verbrennung“: Die Flamme kühlte auf 227–527 ° C ab und produzierte nicht Ruß, Kohlendioxid und Wasser, sondern giftigere Materialien - Formaldehyd und Kohlenmonoxid. Das FLEX-Experiment wählte auch die am wenigsten brennbare Atmosphäre auf der Basis von Kohlendioxid und Helium aus, um das Risiko von Bränden von Raumfahrzeugen in Zukunft zu verringern.
