Experiment FLEX, uskutočnený na palube Medzinárodnej vesmírnej stanice, priniesol neočakávané výsledky – otvorený plameň sa vôbec nesprával tak, ako vedci očakávali.
Ako niektorí vedci radi hovoria, oheň je najstarším a najúspešnejším chemickým experimentom ľudstva. Oheň bol s ľudstvom odjakživa: od prvých ohňov, na ktorých sa vyprážalo mäso, až po plameň raketového motora, ktorý dopravil človeka na Mesiac. Oheň je vo všeobecnosti symbolom a nástrojom pokroku našej civilizácie.
Rozdiel medzi plameňom na Zemi (vľavo) a v nulovej gravitácii (vpravo) je zrejmý. Tak či onak, ľudstvo bude musieť opäť zvládnuť oheň – tentoraz vo vesmíre.
Doktor Forman A. Williams, profesor fyziky na Kalifornskej univerzite v San Diegu, sa už dlho venuje štúdiu plameňa. Oheň je zvyčajne zložitý proces tisícok vzájomne súvisiacich chemických reakcií. Napríklad v plameni sviečky sa molekuly uhľovodíkov vyparujú z knôtu, teplom sa rozkladajú a spájajú sa s kyslíkom za vzniku svetla, tepla, CO2 a vody. Niektoré z uhľovodíkových fragmentov vo forme kruhových molekúl, nazývaných polycyklické aromatické uhľovodíky, tvoria sadze, ktoré môžu tiež horieť alebo sa premieňať na dym. Známy kvapkovitý tvar plameňa sviečky vzniká gravitáciou a konvekciou: horúci vzduch stúpa a vťahuje čerstvý studený vzduch do plameňa, čím plameň stúpa.
Ale ukazuje sa, že v stave beztiaže sa všetko deje inak. V experimente s názvom FLEX vedci študovali požiare na palube ISS, aby vyvinuli protipožiarne technológie s nulovou gravitáciou. Vedci zapálili malé bublinky heptánu vo vnútri špeciálnej komory a sledovali, ako sa plameň správa.
Vedci čelia zvláštnemu javu. V mikrogravitácii plameň horí inak, tvorí malé guľôčky. Tento jav sa očakával, pretože na rozdiel od plameňov na Zemi sa v nulovej gravitácii kyslík a palivo stretávajú v tenkej vrstve na povrchu gule.Ide o jednoduchý obvod, ktorý je odlišný od zemského ohňa. Bola však objavená zvláštnosť: vedci pozorovali pokračovanie horenia ohnivých gúľ aj potom, čo podľa všetkých výpočtov malo horenie prestať. Oheň zároveň prešiel do takzvanej studenej fázy – horel veľmi slabo, až tak, že plameň nebolo vidieť. Išlo však o spaľovanie a plamene sa pri kontakte s palivom a kyslíkom mohli okamžite vznietiť veľkou silou.
Bežne viditeľný oheň horí pri vysokej teplote medzi 1227 a 1727 stupňami Celzia. Heptánové bubliny na ISS pri tejto teplote tiež jasne horeli, no keď sa palivo vyčerpalo a ochladilo, začalo úplne iné horenie – studené. Prebieha pri relatívne nízkej teplote 227-527 stupňov Celzia a nevznikajú pri ňom sadze, CO2 a voda, ale toxickejší oxid uhoľnatý a formaldehyd.
Podobné typy studených plameňov boli reprodukované v laboratóriách na Zemi, ale v podmienkach gravitácie je takýto oheň sám o sebe nestabilný a vždy rýchlo vyhasne. Na ISS však môže studený plameň horieť nepretržite niekoľko minút. Nie je to veľmi príjemné zistenie, pretože studený oheň predstavuje zvýšené nebezpečenstvo: ľahšie sa vznieti, a to aj samovoľne, je ťažšie ho odhaliť a navyše sa pri ňom uvoľňuje viac toxických látok. Na druhej strane môže objav nájsť praktické uplatnenie napríklad v technológii HCCI, ktorá zahŕňa zapálenie paliva v benzínových motoroch nie zo sviečok, ale zo studeného plameňa.
Ako horí oheň v stave beztiaže? Čo je to spaľovanie? Ide o chemickú oxidačnú reakciu s uvoľňovaním veľkého množstva tepla a tvorbou horúcich produktov spaľovania. Proces spaľovania môže prebiehať len v prítomnosti horľavej látky, kyslíka, a za podmienky, že produkty oxidácie sú odstránené zo spaľovacej zóny. Pozrime sa, ako je sviečka usporiadaná a čo presne v nej horí. Sviečka - knôt stočený z bavlnených nití, naplnený voskom, parafínom alebo stearínom. Mnoho ľudí si myslí, že samotný knôt horí, ale nie je to tak. Horí len hmota okolo knôtu, lepšie povedané jeho páry. Knôt je potrebný na to, aby vosk (parafín, stearín) roztavený z tepla plameňa stúpal cez jeho kapiláry do spaľovacej zóny. Aby ste to otestovali, môžete urobiť malý experiment. Sfúknite sviečku a horiacu zápalku ihneď priveďte do bodu dva-tri centimetre nad knôtom, kde stúpa para vosku. Zo zápalky sa rozhorú, po čom oheň padne na knôt a sviečka sa opäť rozsvieti. Existuje teda horľavá látka. Vo vzduchu je tiež dostatok kyslíka. A čo odstraňovanie splodín horenia? Na Zemi s tým nie sú žiadne problémy. Vzduch zohriaty teplom plameňa sviečky je menej hustý ako chlad, ktorý ho obklopuje, a stúpa nahor spolu s produktmi horenia (vytvárajú jazyk plameňa). Ak produkty spaľovania, a to je oxid uhličitý CO2 a vodná para, zostanú v reakčnej zóne, horenie sa rýchlo zastaví. Je ľahké si to overiť: horiacu sviečku vložte do vysokého pohára - zhasne. A teraz sa zamyslime nad tým, čo sa stane so sviečkou na vesmírnej stanici, kde sú všetky predmety v stave beztiaže. Rozdiel v hustote horúceho a studeného vzduchu už nespôsobí prirodzenú konvekciu a po krátkom čase nezostane v spaľovacej zóne žiadny kyslík. Ale vzniká nadbytok oxidu uhoľnatého (oxidu uhoľnatého) CO. Sviečka však bude horieť ešte niekoľko minút a plameň bude mať podobu gule obklopujúcej knôt. Rovnako zaujímavé je vedieť, akú farbu bude mať plameň sviečky na vesmírnej stanici. Na zemi jej dominuje žltý odtieň vďaka žiare horúcich čiastočiek sadzí. Zvyčajne oheň horí pri teplote 1227-1721oC. V stave beztiaže sa zistilo, že keď je horľavá látka vyčerpaná, „studené“ spaľovanie začína pri teplote 227-527 ° C. Za týchto podmienok zmes nasýtených uhľovodíkov v zložení vosku uvoľňuje vodík H2, ktorý dodáva plameňu modrastý odtieň. Zapálil niekto vo vesmíre skutočné sviečky? Ukazuje sa, že to zapálili - na obežnej dráhe. Prvýkrát sa tak stalo v roku 1992 v experimentálnom module kozmickej lode Spece Shuttle, potom v kozmickej lodi NASA Columbia a v roku 1996 sa experiment zopakoval na stanici Mir. Samozrejme, táto práca nebola vykonaná z jednoduchej zvedavosti, ale s cieľom pochopiť, aké následky môže viesť k požiaru na palube stanice a ako sa s ním vysporiadať. Od októbra 2008 do mája 2012 prebiehali podobné experimenty v rámci projektu NASA na Medzinárodnej vesmírnej stanici. Tentoraz kozmonauti skúmali horľavé látky v izolovanej komore pri rôznych tlakoch a rôznych obsahoch kyslíka. Potom sa zaviedlo „studené“ spaľovanie pri nízkych teplotách. Pripomeňme, že produktmi spaľovania na Zemi sú spravidla oxid uhličitý a vodná para. V stave beztiaže, v podmienkach horenia pri nízkych teplotách, sa uvoľňujú vysoko toxické látky, hlavne oxid uhoľnatý a formaldehyd. Vedci pokračujú v štúdiu spaľovania v nulovej gravitácii. Možno výsledky týchto experimentov vytvoria základ pre vývoj nových technológií, pretože takmer všetko, čo sa robí pre vesmír, po určitom čase nachádza uplatnenie na Zemi.
Mnohé fyzikálne procesy prebiehajú inak ako na Zemi a spaľovanie nie je výnimkou. Plameň v stave beztiaže sa správa úplne inak, nadobúda guľovitý tvar. Na fotografii - spaľovanie kvapky etylénu vo vzduchu v podmienkach mikrogravitácie. Tento obrázok bol urobený počas experimentu na štúdium fyziky spaľovania v špeciálnej 30-metrovej veži (2,2-Second Drop Tower) vo výskumnom centre Johna Glenna, ktorá bola navrhnutá tak, aby simulovala podmienky mikrogravitácie pri voľnom páde. V tejto veži bolo vopred otestovaných mnoho experimentov, ktoré sa potom uskutočnili na kozmickej lodi, a preto sa nazýva „brána do vesmíru“.
Guľovitý tvar plameňa sa vysvetľuje skutočnosťou, že v podmienkach beztiaže nedochádza k pohybu vzduchu smerom nahor a nedochádza k prúdeniu jeho teplých a studených vrstiev, ktoré na Zemi „ťahajú“ plameň do podoby kvapky. Plameň nemá dostatok čerstvého vzduchu na horenie, ktorý obsahuje kyslík, je menší a nie je taký horúci. Žlto-oranžovú farbu plameňa, ktorú poznáme na Zemi, spôsobuje žiara častíc sadzí, ktoré stúpajú hore prúdom horúceho vzduchu. V stave beztiaže získava plameň modrú farbu, pretože sa tvorí málo sadzí (to si vyžaduje teplotu viac ako 1000°C) a aj tie sadze, ktoré vďaka nižšej teplote budú žiariť len v infračervenej oblasti. Na vrchnej fotke je v plameni ešte žltooranžová farba, keďže je nafilmované skoré štádium vznietenia, kedy je ešte dostatok kyslíka.
Štúdie spaľovania v podmienkach beztiaže sú obzvlášť dôležité pre zaistenie bezpečnosti kozmických lodí. Experimenty na potlačenie požiaru (Flame Extinguishment Experiment, FLEX) sa už niekoľko rokov vykonávajú v špeciálnom priestore na palube ISS. Výskumníci zapália malé kvapôčky paliva (ako heptán a metanol) v kontrolovanej atmosfére. Malá guľa paliva horí približne 20 sekúnd, obklopená ohnivou guľou s priemerom 2,5 – 4 mm, po ktorej sa kvapka zmenšuje, až kým plameň nezhasne, alebo sa minie palivo. Najneočakávanejším výsledkom bolo, že kvapka heptánu po viditeľnom spaľovaní prešla do takzvanej „studenej fázy“ – plameň tak zoslabol, že ho nebolo vidieť. A predsa to bolo spaľovanie: oheň mohol okamžite vzplanúť pri interakcii s kyslíkom alebo palivom.
Ako vedci vysvetľujú, pri bežnom spaľovaní teplota plameňa kolíše medzi 1227 °C a 1727 °C – pri tejto teplote bol v experimente viditeľný oheň. Keď palivo horelo, začalo sa „studené spaľovanie“: plameň sa ochladil na 227 – 527 °C a neprodukoval sadze, oxid uhličitý a vodu, ale toxickejšie materiály – formaldehyd a oxid uhoľnatý. Počas experimentu FLEX bola tiež vybraná najmenej horľavá atmosféra na báze oxidu uhličitého a hélia, čo pomôže znížiť riziko požiarov kozmických lodí v budúcnosti.
Pre horenie a plameň na Zemi a v stave beztiaže pozri tiež:
Konstantin Bogdanov "Kde je pes zakopaný?" - "5. čo je oheň? .
Janash Bannikov
Oheň vzniká, keď existujú tri zložky. Po prvé, je to palivo vo forme dreva, papiera, alkoholu, plynu atď. Po druhé, je potrebný kyslík, ktorý interaguje s palivom; v dôsledku spaľovania kyslík reaguje s palivom. Treťou nevyhnutnou zložkou je teplo. Na vzduchu bude horieť iba palivo zahriate na určitú teplotu.
Americkí vedci z Harvardskej univerzity zistili, že elektrické pole dokáže uhasiť požiare. Séria experimentov ukázala, že na uhasenie požiaru stačí nasmerovať do ohňa elektródu pripojenú k zosilňovaču s výkonom 600 wattov. Na základe tejto inštalácie sa plánuje vytvorenie elektrického hasiaceho prístroja. Čo je v skutočnosti vzduch, pochopil vedec štúdiom procesov spaľovania. Dávno pred ním sa dokázalo, že spaľovanie je možné len za prítomnosti vzduchu. Čo sa však deje so vzduchom počas spaľovania?V snahe odpovedať na túto otázku začal Scheele experimentovať so spaľovaním rôznych látok v tesne uzavretých nádobách.
Skvapalňovanie plynov je premena plynov do kvapalného stavu. Môže sa vyrábať stláčaním plynu (zvyšovaním tlaku) a súčasným ochladzovaním. 
Okrem širokej škály problémov priamo súvisiacich s doručením a bezpečnosťou neustále vyvstáva tradičný problém – vianočného stromčeka sa budete musieť zbaviť, keď astronauti začnú v spacích vakoch nachádzať množstvo ihiel, ktoré by tam mohli lietať, pretože na medziorbitálnej vesmírnej stanici sa nachádza taký fyzikálny objekt.jav ako stav beztiaže. Marina Pozdnyakova
Mnohí z tých, ktorí sledovali kultový americký film „Star Wars“, si dodnes pamätajú na pôsobivé zábery s výbuchmi, plameňmi, horiacimi troskami lietajúcimi na všetky strany... Dá sa takáto hrozná scéna zopakovať v reálnom priestore? V priestore úplne bez vzduchu? Aby sme odpovedali na túto otázku, skúsme na začiatok prísť na to, ako bude horieť obyčajná sviečka na vesmírnej stanici.
Čo je to spaľovanie? Ide o chemickú oxidačnú reakciu s uvoľňovaním veľkého množstva tepla a tvorbou horúcich produktov spaľovania. Proces spaľovania môže prebiehať len v prítomnosti horľavej látky, kyslíka, a za podmienky, že produkty oxidácie sú odstránené zo spaľovacej zóny.
Pozrime sa, ako je sviečka usporiadaná a čo presne v nej horí. Sviečka - knôt stočený z bavlnených nití, naplnený voskom, parafínom alebo stearínom. Mnoho ľudí si myslí, že samotný knôt horí, ale nie je to tak. Horí len hmota okolo knôtu, lepšie povedané jeho páry. Knôt je potrebný na to, aby vosk (parafín, stearín) roztavený z tepla plameňa stúpal cez jeho kapiláry do spaľovacej zóny.
Aby ste to otestovali, môžete urobiť malý experiment. Sfúknite sviečku a horiacu zápalku ihneď priveďte do bodu dva-tri centimetre nad knôtom, kde stúpa para vosku. Zo zápalky sa rozhoria, po čom oheň padne na knôt a sviečka sa opäť rozsvieti (podrobnejšie pozri).
Existuje teda horľavá látka. Vo vzduchu je tiež dostatok kyslíka. A čo odstraňovanie splodín horenia? Na Zemi s tým nie sú žiadne problémy. Vzduch zohriaty teplom plameňa sviečky je menej hustý ako chlad, ktorý ho obklopuje, a stúpa nahor spolu s produktmi horenia (vytvárajú jazyk plameňa). Ak produkty horenia, a to je oxid uhličitý CO 2 a vodná para, zostanú v reakčnej zóne, horenie sa rýchlo zastaví. Je ľahké si to overiť: horiacu sviečku vložte do vysokého pohára - zhasne.
A teraz sa zamyslime nad tým, čo sa stane so sviečkou na vesmírnej stanici, kde sú všetky predmety v stave beztiaže. Rozdiel v hustote horúceho a studeného vzduchu už nespôsobí prirodzenú konvekciu a po krátkom čase nezostane v spaľovacej zóne žiadny kyslík. Ale vzniká nadbytok oxidu uhoľnatého (oxidu uhoľnatého) CO. Sviečka však bude horieť ešte niekoľko minút a plameň bude mať podobu gule obklopujúcej knôt.
Rovnako zaujímavé je vedieť, akú farbu bude mať plameň sviečky na vesmírnej stanici. Na zemi jej dominuje žltý odtieň vďaka žiare horúcich čiastočiek sadzí. Oheň zvyčajne horí pri teplote 1227-1721 o C. V stave beztiaže sa zistilo, že pri vyčerpaní horľavej látky začína „studené“ horenie pri teplote 227-527 o C. Za týchto podmienok zmes nasýtených uhľovodíkov vo vosku uvoľňuje vodík H 2, ktorý dodáva plameňu modrastý odtieň.
Zapálil niekto vo vesmíre skutočné sviečky? Ukazuje sa, že to zapálili - na obežnej dráhe. Prvýkrát sa tak stalo v roku 1992 v experimentálnom module kozmickej lode Spece Shuttle, potom v kozmickej lodi NASA Columbia a v roku 1996 sa experiment zopakoval na stanici Mir. Samozrejme, táto práca nebola vykonaná z jednoduchej zvedavosti, ale s cieľom pochopiť, aké následky môže viesť k požiaru na palube stanice a ako sa s ním vysporiadať.
Od októbra 2008 do mája 2012 prebiehali podobné experimenty v rámci projektu NASA na Medzinárodnej vesmírnej stanici. Tentoraz kozmonauti skúmali horľavé látky v izolovanej komore pri rôznych tlakoch a rôznych obsahoch kyslíka. Potom sa zaviedlo „studené“ spaľovanie pri nízkych teplotách.
Pripomeňme, že produktmi spaľovania na Zemi sú spravidla oxid uhličitý a vodná para. V stave beztiaže, v podmienkach horenia pri nízkych teplotách, sa uvoľňujú vysoko toxické látky, hlavne oxid uhoľnatý a formaldehyd.
Vedci pokračujú v štúdiu spaľovania v nulovej gravitácii. Možno výsledky týchto experimentov vytvoria základ pre vývoj nových technológií, pretože takmer všetko, čo sa robí pre vesmír, po určitom čase nachádza uplatnenie na Zemi.
Teraz už chápeme, že režisér George Lucas, ktorý režíroval Hviezdne vojny, predsa len urobil veľkú chybu pri zobrazení apokalyptickej explózie vesmírnej stanice. V skutočnosti bude explodovaná stanica vyzerať ako krátky jasný záblesk. Po nej zostane obrovská modrastá guľa, ktorá veľmi rýchlo zhasne. A ak sa zrazu niečo na stanici naozaj vznieti, treba umelú cirkuláciu vzduchu bezodkladne automaticky vypnúť. A potom sa oheň nestane.
Vosk- nepriehľadná, na dotyk mastná tuhá hmota, ktorá sa pri zahrievaní roztápa. Pozostáva z esterov mastných kyselín rastlinného a živočíšneho pôvodu.
Parafín- voskovitá zmes nasýtených uhľovodíkov.
stearín- voskovitá zmes kyseliny stearovej a palmitovej s prímesou iných nasýtených a nenasýtených mastných kyselín.
prirodzená konvekcia- proces prenosu tepla v dôsledku cirkulácie vzdušných hmôt pri ich nerovnomernom ohreve v gravitačnom poli. Keď sa spodné vrstvy zahrievajú, stávajú sa ľahšími a stúpajú, zatiaľ čo horné vrstvy sa naopak ochladzujú, ťažia a klesajú, potom sa proces opakuje znova a znova.
