Rahvusvahelise kosmosejaama pardal tehtud katse andis ootamatuid tulemusi - lahtine leek käitus üsna erinevalt, kui teadlased eeldasid.
Nagu mõnele teadlasele meeldib öelda, on tuli inimkonna vanim ja edukaim keemiline eksperiment. Tuli on tõepoolest inimkonnaga alati kaasas käinud: alates esimestest lõketest, kus liha praeti, kuni raketimootori leegini, mis viis inimese Kuule. Tuld on sümbol ja vahend meie tsivilisatsiooni edenemiseks.
San Diego California ülikooli füüsikaprofessoril dr Forman A. Williamsil on leekide uurimisel pikk ajalugu. Tuli on tavaliselt tuhandete omavahel seotud keemiliste reaktsioonide keeruline protsess. Näiteks aurustuvad küünla leegis taevast süsivesiniku molekulid, lagunevad kuumuse käes ja ühendavad hapnikuga, et tekitada valgust, soojust, CO2 ja vett. Mõningad tsükliliste molekulide kujul olevad süsivesinikuradikaalid, mida nimetatakse polütsüklilisteks aromaatseteks süsivesinikeks, moodustavad tahma, mis võib ka põletada või muutuda suitsuks. Küünlatule tuttava pisarakujulise kuju annab raskusjõud ja konvektsioon: kuum õhk tõuseb ülespoole ja tõmbab leeki värske külma õhu, tõmmates sellega leegi ülespoole.
Kuid tuleb välja, et nullgravitatsiooni korral toimub kõik teisiti. FLEX-i nimelises eksperimendis uurisid teadlased ISS-i pardal tulekahju, et töötada välja tehnoloogiad tulekahjude kustutamiseks nulljõudlusega. Teadlased süütasid spetsiaalses kambris väikesed heptaanimullid ja jälgisid, kuidas leegid käituvad.
Teadlased seisavad silmitsi kummalise nähtusega. Mikrogravitatsiooni korral põleb leek erinevalt, moodustades väikesed pallid. See nähtus oli ootuspärane, kuna erinevalt leegist Maal, nulljõu korral, satuvad hapnik ja kütus kera pinnale õhukeses kihis. See on lihtne skeem, mis erineb maisest tulest. Siiski avastati veidrus: teadlased täheldasid tulepallide jätkuvat põlemist ka pärast seda, kui kõigi arvutuste kohaselt oleks põlemine pidanud peatuma. Samal ajal läks tulekahju nn külmafaasi - see süttis väga nõrgalt, nii palju, et leeki polnud näha. Kuid see põles ja leek võib kütuse ja hapnikuga kokkupuutel kohe suure jõuga plahvatada.
Tavaliselt põleb nähtav tuli kõrgel temperatuuril vahemikus 1227 kuni 1727 kraadi. Ka ISS-is olevad heptaanimullid põlesid sel temperatuuril eredalt, kuid kütuse ammendumisel ja jahtumisel algas täiesti erinev põlemine - külm. See toimub suhteliselt madalal temperatuuril 227-527 kraadi ja ei tekita tahma, CO2 ja vett, vaid toksilisemat süsinikmonooksiidi ja formaldehüüdi.
Sarnaseid külma leegi liike on Maa laboratooriumides reprodutseeritud, kuid raskusjõu tingimustes on selline tulekahju ise ebastabiilne ja sureb alati kiiresti. ISS-is võib aga külm leek mitu minutit pidevalt süttida. See ei ole eriti meeldiv avastus, kuna külm tulekahju kujutab endast suuremat ohtu: see süttib kergemini, ka iseeneslikult, seda on keerulisem tuvastada ja peale selle eraldub see toksilisemaid aineid. Teisest küljest võib avastus leida praktilist rakendust näiteks HCCI tehnoloogias, mis hõlmab bensiinimootorites kütuse süütamist mitte küünladest, vaid külma leegiga.
Reklaamvideo:
See pilt on tehtud katse ajal põlemisfüüsika uurimiseks John Glenni teaduskeskuse (Glenni uurimiskeskus) spetsiaalses 30-meetrises tornis (2,2-sekundiline tilk-torn), mis loodi vaba languse mikrogravitatsiooni tingimuste simuleerimiseks. Selles tornis katsetati eelnevalt paljusid katseid, mis tehti seejärel kosmoselaevadega, seetõttu nimetatakse seda kosmoseväravaks.
Leegi sfääriline kuju on seletatav asjaoluga, et nullgravitatsiooni tingimustes õhutõus üles ei tõuse ning selle sooja ja külma kihi konvektsioon ei toimu, mis Maal "tõmbab" leegi tilgakujuliseks. Põlemisel kasutataval leegil pole piisavalt värsket õhku, mis sisaldab hapnikku, ja see osutub väiksemaks ega ole nii kuum. Maa peal meile tuttava leegi kollakasoranži värvi põhjustab tahmaosakeste hõõgus, mis tõusevad kuuma õhuvooluga ülespoole. Nullgravitatsiooni korral omandab leek sinist värvi, kuna moodustub vähe tahma (selleks on vaja temperatuuri üle 1000 ° C) ja tahma, mis madalama temperatuuri tõttu hakkab hõõguma ainult infrapunavahemikus. Ülemisel fotol on kollasoranž värv leegis endiselt olemas, kuna süüte varajane staadium jäädvustatakse, kui hapnikku on veel piisavalt.
Nullgravitatsiooni korral toimuva põlemise uurimine on eriti oluline kosmoseaparaadi ohutuse tagamiseks. ISS-i pardal spetsiaalses sektsioonis on juba mitu aastat tehtud leegi kustutamise katset (FLEX). Teadlased süüdavad väikesed kütusepiisad (näiteks heptaan ja metanool) kontrollitavas atmosfääris. Väike kütusepall põleb umbes 20 sekundit, ümbritsetud 2,5–4 mm läbimõõduga tulekeraga, mille järel langus väheneb, kuni leek kustub või kütus otsa saab. Kõige ootamatum tulemus oli see, et tilk heptaani läks pärast nähtavat põlemist niinimetatud "külma faasi" - leek muutus nii nõrgaks, et seda oli võimatu näha. Ja ometi põles see: tuli võib hapniku või kütusega suheldes koheselt puhkeda.
Nagu teadlased selgitavad, kõigub normaalse põlemise ajal leegi temperatuur vahemikus 1227 ° C kuni 1727 ° C - sellel temperatuuril oli katses nähtav tuli. Kütuse põlemisel algas „külm põlemine”: leek jahtus temperatuurini 227–527 ° C ja ei tekitanud tahma, süsinikdioksiidi ja vett, vaid mürgiseid materjale - formaldehüüdi ja vingugaasi. FLEXi katse valis süsinikdioksiidi ja heeliumi baasil ka kõige vähem tuleohtliku atmosfääri, mis aitab tulevikus vähendada kosmoselaevade tulekahjude ohtu.
