Kansainvälisellä avaruusasemalla suoritettu kokeilu antoi odottamattomia tuloksia - avotuli käyttäytyi aivan eri tavalla kuin tutkijat odottivat.
Kuten jotkut tutkijat haluavat sanoa, tuli on ihmiskunnan vanhin ja menestynein kemiallinen koe. Tuli on todellakin aina kulkenut ihmiskunnan kanssa: ensimmäisistä nuotioista, joissa paistettiin lihaa, rakettimoottorin liekiin, joka toi ihmisen kuuhun. Tuli on yleensä symboli ja väline sivilisaatiomme etenemisessä.
Tohtori Forman A. Williamsilla, fysiikan professorilla Kalifornian yliopistossa, San Diegossa, on pitkä historia liekkien tutkimisesta. Tulipalo on yleensä monimutkainen prosessi tuhansista toisiinsa liittyvistä kemiallisista reaktioista. Esimerkiksi kynttilän liekissä hiilivetymolekyylit haihtuvat sydämestä, hajoavat, kun ne altistetaan lämmölle, ja yhdistyvät hapen kanssa tuottamaan valoa, lämpöä, CO2: ta ja vettä. Jotkut rengasmaisten molekyylien muodossa olevista hiilivetyosista, joita kutsutaan polysyklisiksi aromaattisiksi hiilivedyiksi, muodostavat nokea, joka voi myös polttaa tai muuttua savuksi. Kynttilävalon tuttu pisaranmuoto annetaan painovoiman ja konvektion avulla: kuuma ilma nousee ylöspäin ja vetää tuoretta kylmää ilmaa liekkiin vetäen siten liekin ylöspäin.
Mutta osoittautuu, että nollapainossa kaikki tapahtuu eri tavalla. FLEX-nimisessä kokeessa tutkijat tutkivat ISS: n tulipaloa kehittääkseen tekniikoita palojen sammuttamiseksi nollapainoisella tasolla. Tutkijat sytyttivät pienet heptaanikuplat erityisessä kammiossa ja seurasivat liekkien käyttäytymistä.
Tutkijat kohtaavat omituisen ilmiön. Mikropainossa liekki palaa eri tavalla, ja se muodostaa pieniä palloja. Tämä ilmiö odotettiin, koska toisin kuin maapallon liekki, nollapainossa happi ja polttoaine kohtaavat ohuena kerroksena pallon pinnalla. Tämä on yksinkertainen kaavio, joka eroaa maallisesta tulesta. Kuitenkin havaittiin omituisuus: tutkijat havaitsivat tulipallojen jatkuvan palamisen, vaikka kaikkien laskelmien mukaan palamisen olisi pitänyt pysähtyä. Samanaikaisesti tuli läpäisi ns. Kylmän vaiheen - se palasi hyvin heikosti niin paljon, että liekki ei ollut näkyvissä. Se kuitenkin palai, ja liekki voi räjähtää heti voimakkaasti kosketuksessa polttoaineen ja hapen kanssa.
Yleensä näkyvä palo palaa korkeissa lämpötiloissa välillä 1227 - 1727 celsiusastetta. ISS: n heptaanikuplat myös palavat kirkkaasti tässä lämpötilassa, mutta polttoaineen loppuessa ja jäähtyessä alkoi täysin erilainen palaminen - kylmä. Se tapahtuu suhteellisen matalassa lämpötilassa, 227-527 celsiusasteessa, eikä se tuottaa nokea, CO2: ta ja vettä, mutta myrkyllisemmät hiilimonoksidi ja formaldehydi.
Saman tyyppisiä kylmiä liekkejä on tuotettu laboratorioissa maan päällä, mutta painovoiman olosuhteissa tällainen tuli on itsestään epävakaa ja kuolee aina nopeasti. ISS: ssä kylmä liekki voi kuitenkin palaa tasaisesti useita minuutteja. Tämä ei ole kovin miellyttävä löytö, koska kylmä tulipalo aiheuttaa lisääntyneen vaaran: se syttyy helpommin, myös spontaanisti, sitä on vaikeampi havaita ja lisäksi se vapauttaa myrkyllisempiä aineita. Toisaalta löytö voi löytää käytännöllisen sovelluksen esimerkiksi HCCI-tekniikkaan, joka käsittää polttoaineen sytyttämisen bensiinimoottoreissa ei kynttilöistä, mutta kylmästä liekistä.
Mainosvideo:
Tämä kuva on otettu kokeessa tutkia palamisfysiikkaa John Glennin tutkimuskeskuksen (Glennin tutkimuskeskus) erityisessä 30 metrin tornissa (2,2 sekunnin pudotustorni), joka on luotu simuloimaan vapaan pudotuksen mikropainoolosuhteita. Monet kokeilut, jotka sitten tehtiin avaruusaluksilla, testattiin alustavasti tässä tornissa, joten sitä kutsutaan "portiksi avaruuteen".
Liekin pallomainen muoto selitetään sillä, että nollapainoisissa olosuhteissa ei ole nousevaa ilman liikettä ja sen lämpimien ja kylmien kerrosten kiertoa ei tapahdu, mikä maapallolla "vetää" liekin pudotusmuotoon. Palamis liekillä ei ole tarpeeksi raikasta happea sisältävää ilmaa, ja se osoittautuu pienemmäksi eikä niin kuumaksi. Meille maan päällä tutun liekin keltaoranssin värin aiheuttaa nokihiukkasten hehku, jotka nousevat ylöspäin kuumalla ilmavirralla. Nollapainoisessa tilassa liekki saa sinisen värin, koska muodostuu vähän nokea (tämä vaatii yli 1000 ° C: n lämpötilan), ja noki, joka johtuu matalammasta lämpötilasta, hehkuu vain infrapuna-alueella. Yläkuvassa keltaoranssi väri esiintyy edelleen liekissä, koska syttymisen varhainen vaihe otetaan talteen, kun happea on vielä riittävästi.
Palamisen tutkimukset nollapainolla ovat erityisen tärkeitä avaruusalusten turvallisuuden varmistamiseksi. ISS: n aluksella olevassa erityisessä osastossa on jo useita vuosia toteutettu liekinsammutuskokeita (FLEX). Tutkijat sytyttävät pienet polttoainepisarat (kuten heptaani ja metanoli) kontrolloidussa ilmakehässä. Pieni polttoainepallo palaa noin 20 sekunnin ajan, ja sitä ympäröi pallo, jonka halkaisija on 2,5–4 mm, minkä jälkeen pudotus pienenee, kunnes joko liekki sammuu tai polttoaine loppuu. Odottamattomin tulos oli, että tippa heptaania, näkyvän palamisen jälkeen, siirtyi ns. "Kylmään vaiheeseen" - liekki tuli niin heikoksi, että sitä ei ollut mahdollista nähdä. Ja silti se poltti: tuli voi puhkeaa heti, kun se on vuorovaikutuksessa hapen tai polttoaineen kanssa.
Kuten tutkijat selittävät, normaalin palamisen aikana liekin lämpötila vaihtelee välillä 1227 ° C - 1727 ° C - tässä lämpötilassa kokeessa oli näkyvä tuli. Polttoaineen palaessa "kylmä palaminen" alkoi: liekki jäähtyi 227–527 ° C: seen ja tuotti nokea, hiilidioksidia ja vettä, mutta myrkyllisempiä aineita - formaldehydiä ja hiilimonoksidia. FLEX-kokeilu valitsi myös vähiten syttyvän ilmakehän hiilidioksidin ja heliumin perusteella, mikä auttaa vähentämään avaruusalusten tulipaloriskiä tulevaisuudessa.