Вогонь у невагомості September 12th, 2015

Зліва - свічка горить Землі, а праворуч - у невагомості.

Ось подробиці …

Експеримент, проведений на борту Міжнародної космічної станції, Дав несподівані результати – відкрите полум'я повело себе зовсім не так, як очікували вчені.

Як люблять говорити деякі вчені, вогонь - це найдавніший і найуспішніший хімічний експериментлюдства. Справді, вогонь йшов із людством завжди: від перших вогнищ, на яких смажили м'ясо, до полум'я ракетного двигуна, який доставив людину на Місяць. за великому рахунку, вогонь є символом та знаряддям прогресу нашої цивілізації.

Доктор Форман А. Вільямс (Forman A. Williams), професор фізики в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго, давно працює над вивченням полум'я. Зазвичай вогонь – це найскладніший процестисяч взаємопов'язаних хімічних реакцій Наприклад, в полум'ї свічки вуглеводневі молекули випаровуються з гноту, розщеплюються під впливом тепла і з'єднуються з киснем, виробляючи світло, тепло, CO2 і воду. Деякі з вуглеводневих фрагментів у формі кільцеподібних молекул, які називають поліциклічними ароматичними вуглеводнями, утворюють сажу, яка може також згоріти або перетворитися на дим. Знайому краплеподібну форму вогнику свічки надає гравітація та конвекція: гаряче повітряпіднімається вгору і затягує в полум'я свіжий холодне повітрязавдяки чому полум'я тягнеться вгору.

Але, виявляється, у невагомості все відбувається інакше. Під час експерименту під назвою FLEX вчені вивчали вогонь на борту МКС, щоб розробити технології гасіння пожеж у невагомості. Дослідники підпалювали невеликі бульбашки гептану всередині спеціальної камери і дивилися, як поводиться полум'я.

Вчені зіштовхнулися зі дивним явищем. В умовах мікрогравітації, полум'я горить інакше воно утворює маленькі кульки. Це явище було очікуваним, оскільки на відміну від полум'я на Землі, у невагомості кисень та паливо зустрічаються у тонкому шаріна поверхні сфери, Це проста схемаяка відрізняється від земного вогню. Проте виявилася дивина: вчені спостерігали продовження горіння вогняних кульок навіть після того, як за всіма розрахунками горіння мало припинитися. При цьому вогонь перейшов у так звану холодну фазу – він горів дуже слабко, настільки, що полум'я було неможливо побачити. Тим не менш, це було горіння, і полум'я могло миттєво спалахнути з великою силоюпри контакті з паливом та киснем.

Зазвичай видимий вогонь горить при високій температуріміж 1227 та 1727 градусами Цельсія. Гептанові бульбашки на МКС також яскраво горіли при цій температурі, але в міру вичерпання палива та остигання почалося зовсім інше горіння — холодне. Воно проходить при відносно низькій температурі 227-527 градусів за Цельсієм і виробляють не сажу, CO2 і воду, а більш токсичні моноксид вуглецю і формальдегід.

Схожі типи холодного полум'я в лабораторіях відтворювалися і на Землі, але в умовах гравітації сам по собі такий вогонь нестійкий і швидко загасає. На МКС проте холодне полум'я може стійко горіти кілька хвилин. Це не дуже приємне відкриття, оскільки холодний вогонь є підвищену небезпеку: він легше запалюється, у тому числі мимовільно, його складніше виявити і, до того ж, виділяє більше токсичних речовин. З іншого боку, відкриття може знайти практичне застосуванняНаприклад, у технології HCCI, яка передбачає запалювання палива в бензинових моторах не від свічок, а від холодного полум'я.

Незвичайний експеримент здійснено у космосі. Японський космонавт Такао Дої,

що знаходиться на борту американського модуля МКС, запустив звичайний бумеранг.

Фахівці хотіли подивитися, як поведеться цей предмет, якщо його залишити в умовах невагомості.

На подив багатьох, у тому числі чемпіона світу з метання бумерангів Ясухіро Тогай, бумеранг повернувся!

Ще один експеримент у невагомості

Альберт Ейнштейн задовго до космічних польотів замислився над цікавим питанням: чи горітиме свічка в кабіні космічного корабля? Ейнштейн вважав, що "ні", оскільки через невагомість розпечені гази не йдуть із зони полум'я. Тим самим доступ кисню до ґнота виявиться захищеним, і полум'я згасне

Сучасні експериментатори вирішили перевірити твердження Ейнштейна з досвіду. В одній із лабораторій було поставлено наступний експеримент. Свічку, що горить, поміщену в закриту скляну банку, скидали з висоти близько 70 м. Падаючий предмет перебував у стані невагомості, якщо не враховувати опору повітря. Однак свічка не гасла, змінювалася лише форма язика полум'я, він ставав більш кулястим, а світло, що ним випромінювалося, ставало менш яскравим.

Експериментатори пояснили горіння дифузією, що триває в невагомості, завдяки якій кисень з навколишнього простору все ж потрапляв у зону полум'я. Адже процес дифузії залежить від дії сил тяжіння.

Проте умови горіння у невагомості інші, ніж Землі. Цю обставину довелося враховувати радянським конструкторам, які створювали спеціальний зварювальний апаратдля проведення зварювання за умов невагомості.

Цей апарат був випробуваний у 1969 р. радянською космічному кораблі"Союз-8" і працював успішно.

Чи знаєте ви?

Перші гудзики

Як застібали одяг давно?
Для цього користувалися запонками, а частіше шнурками та тасьмами.

Потім з'явилися гудзики, причому часто їх пришивали набагато більше, ніж робили петель. Справа в тому, що гудзики призначалися спочатку тільки для людей багатих не тільки для застібки, а й частіше для прикраси одягу. Гудзики робилися з дорогоцінного каміннята дорогих металів.

Чим знатніша, багатша людина, тим більше гудзиків було на його одязі. Багато хто виступав у той час проти нових застібок, вважаючи їх за недозволену розкіш. Нерідко так воно й було насправді. Наприклад, король Франції Франциск Перший розпорядився прикрасити свій чорний оксамитовий камзол 13 600 золотими ґудзиками.

Як горить вогонь у невагомості? Що таке горіння? Це хімічна реакціяокиснення з виділенням великої кількостітепла та утворенням розпечених продуктів згоряння. Процес горіння може відбуватися лише за наявності палива, кисню і за умови, що продукти окислення будуть відводитися із зони горіння. Подивимося, як влаштовано свічку і що саме в ній горить. Свічка - скручений з бавовняних ниток гніт, залитий воском, парафіном або стеарином. Багато хто думає, що горить сам гніт, але це не так. Горить якраз речовина навколо ґноту, точніше, його пари. Гніт ж потрібен для того, щоб віск, що розплавився від тепла полум'я (парафін, стеа-рин), піднімався по його капілярах в зону горіння. Щоб перевірити це можна провести невеликий експеримент. Задуйте свічку і тут же піднесіть сірник, що горить, в точку вище ґнота сантиметра на два-три, туди, де піднімаються вгору пари воску. Від сірника вони спалахнуть, після чого вогонь опуститься на гніт і свічка загориться знову. Отже, пальне є. Кисню в повітрі теж цілком достатньо. А як бути із відведенням продуктів згоряння? На землі із цим проблем немає. Повітря, нагріте теплом полум'я свічки, стає менш щільним, ніж навколишній холодний, і піднімається вгору разом з продуктами згоряння (вони утворюють язичок полум'я). Якщо ж продукти згоряння, а це вуглекислий газ CO2 та пари води залишаться в зоні реакції, горіння швидко припиниться. Переконатися в цьому легко: поставте свічку, що горить, у високу склянку - вона згасне. А тепер подумаємо, що станеться зі свічкою на космічній станції, де всі предмети перебувають у стані невагомості. Різниця в щільності гарячого та холодного повітря вже не викликатиме природну конвекцію, і через нетривалий час у зоні горіння не залишиться кисню. Зате утворюється надлишок окису вуглецю (чадного газу) CO. Однак ще кілька хвилин свічка горітиме, а полум'я набуде форми кулі, що оточує гніт. Не менш цікаво дізнатися, якого кольору буде полум'я свічки на космічній станції. На землі в ньому переважає жовтий відтінокобумовлений свіченням розжарених частинок сажі Зазвичай вогонь горить за нормальної температури 1227-1721оС. У невагомості було помічено, що з вичерпання пального речовини починається «холодне» горіння за нормальної температури 227-527оС. У цих умовах суміш граничних вуглеводнів у складі воску виділяє водень Н2, який надає полум'ю голубуватий відтінок. А чи запалював хтось справжні свічки в космосі? Виявляється, запалювали – на орбіті. Вперше це було зроблено в 1992 році в експериментальному модулі космічного корабля Spece Shattle, потім в космічному кораблі NASA Колумбія, в 1996 досвід повторили на станції Світ. Звичайно, цією роботою займалися не просто цікаво, а для того, щоб зрозуміти, до яких наслідків може призвести пожежа на борту станції і як з ним боротися. З жовтня 2008 по травень 2012 року подібні експерименти проводилися за проектом NASA на Міжнародній космічній станції. Цього разу космонавти досліджували горючі речовини в ізольованій камері за різних тисків та різного вмісту кисню. Тоді і було встановлено «холодне» горіння при низьких температурах. Нагадаємо, що продукти згоряння на землі – це, як правило, вуглекислий газ та пари води. У невагомості ж, в умовах горіння за низьких температур, виділяються високотоксичні речовини, в основному чадний газта формальдегід. Дослідники продовжують вивчати горіння у невагомості. Можливо, результати цих експериментів ляжуть в основу розробки нових технологій, адже майже все, що робиться для космосу, за деякий час знаходить застосування на землі.

Багато хто з тих, хто дивився культовий американський фільм «Зоряні війни», досі пам'ятають вражаючі кадри з вибухами, язиками полум'я, що летять на всі боки уламками… А чи може така страшна сцена повторитися в реальному космосі? У просторі, повністю позбавленому повітря? Щоб відповісти на це питання, спробуємо розібратися для початку, як горітиме звичайна свічкана космічній станції.

Що таке горіння? Це хімічна реакція окиснення з виділенням великої кількості тепла та утворенням розпечених продуктів згоряння. Процес горіння може відбуватися лише за наявності палива, кисню і за умови, що продукти окислення будуть відводитися із зони горіння.

Подивимося, як влаштовано свічку і що саме в ній горить. Свічка - скручений з бавовняних ниток гніт, залитий воском, парафіном або стеарином. Багато хто думає, що горить сам гніт, але це не так. Горить якраз речовина навколо ґноту, точніше, його пари. Гніт ж потрібен для того, щоб віск, що розплавився від тепла полум'я (парафін, стеа-рин), піднімався по його капілярах в зону горіння.

Щоб перевірити це можна провести невеликий експеримент. Задуйте свічку і тут же піднесіть сірник, що горить, в точку вище ґнота сантиметра на два-три, туди, де піднімаються вгору пари воску. Від сірника вони спалахнуть, після чого вогонь опуститься на гніт і свічка загориться знову (детальніше див.).

Отже, пальне є. Кисню в повітрі теж цілком достатньо. А як бути із відведенням продуктів згоряння? На землі із цим проблем немає. Повітря, нагріте теплом полум'я свічки, стає менш щільним, ніж навколишній холодний, і піднімається вгору разом з продуктами згоряння (вони утворюють язичок полум'я). Якщо ж продукти згоряння, а це вуглекислий газ CO 2 і пари води залишаться в зоні реакції, горіння швидко припиниться. Переконатися в цьому легко: поставте свічку, що горить, у високу склянку - вона згасне.

А тепер подумаємо, що станеться зі свічкою на космічній станції, де всі предмети перебувають у стані невагомості. Різниця в щільності гарячого та холодного повітря вже не викликатиме природну конвекцію, і через нетривалий час у зоні горіння не залишиться кисню. Зате утворюється надлишок окису вуглецю (чадного газу) CO. Однак ще кілька хвилин свічка горітиме, а полум'я набуде форми кулі, що оточує гніт.

Не менш цікаво дізнатися, якого кольору буде полум'я свічки на космічній станції. На землі в ньому переважає жовтий відтінок, зумовлений свіченням розжарених частинок сажі. Зазвичай вогонь горить при температурі 1227-1721 про З. У невагомості було помічено, що з вичерпання пального речовини починається «холодне» горіння за нормальної температури 227-527 про З. У умовах суміш граничних вуглеводнів у складі воску виділяє водень Н 2 ; який надає полум'ю голубуватий відтінок.

А чи запалював хтось справжні свічки в космосі? Виявляється, запалювали – на орбіті. Вперше це було зроблено в 1992 році в експериментальному модулі космічного корабля Spece Shattle, потім в космічному кораблі NASA Колумбія, в 1996 досвід повторили на станції Світ. Звичайно, цією роботою займалися не просто цікаво, а для того, щоб зрозуміти, до яких наслідків може призвести пожежа на борту станції і як з ним боротися.

З жовтня 2008 по травень 2012 року подібні експерименти проводилися за проектом NASA на Міжнародній космічній станції. Цього разу космонавти досліджували горючі речовини в ізольованій камері за різних тисків та різного вмісту кисню. Тоді і було встановлено холодне горіння при низьких температурах.

Нагадаємо, що продукти згоряння на землі – це, як правило, вуглекислий газ та пари води. У невагомості ж, за умов горіння за низьких температур, виділяються високотоксичні речовини, переважно чадний газ і формальдегід.

Дослідники продовжують вивчати горіння у невагомості. Можливо, результати цих експериментів ляжуть в основу розробки нових технологій, адже майже все, що робиться для космосу, за деякий час знаходить застосування на землі.

Тепер ми розуміємо, що режисер Джордж Лукас, який зняв «Зоряні війни», таки сильно помилився, зображуючи апокаліптичний вибух космічної станції. Насправді станція, що вибухнула, буде виглядати як короткий яскравий спалах. Після неї залишиться величезна блакитна куля, яка дуже швидко згасне. А якщо раптом на станції щось спалахне по-справжньому, потрібно негайно автоматично відключити штучну циркуляціюповітря. І тоді пожежа не станеться.

Віск- непрозора, жирна на дотик, тверда маса, що плавиться при нагріванні. Складається зі складних ефірів жирних кислот рослинного та тваринного походження.

Парафін- воскоподібна суміш насичених вуглеводнів.

Стеарін- воскоподібна суміш стеаринової та пальмітинової кислот з домішкою інших насичених та ненасичених жирних кислот.

Природна конвекція- процес теплопередачі, зумовлений циркуляцією повітряних маспри їхньому нерівномірному нагріванні в полі тяжіння. Коли нижні шари нагріваються, вони стають легшими і піднімаються, а верхні шари, навпаки, остигають, стають важчими і опускаються вниз, після чого процес повторюється знову і знову.

Багато фізичні процесипротікають інакше, ніж Землі, і горіння не виняток. Полум'я в невагомості поводиться зовсім по-іншому, набуваючи сферичної форми. На фото-горінні крапельки етилену на повітрі в умовах мікрогравітації. Цей знімок зроблено під час експерименту з вивчення фізики горіння у спеціальній 30-метровій вежі (2.2-Second Drop Tower) Дослідницького центру імені Джона Гленна (Glenn Research Center), створеної для відтворення умов мікрогравітації при вільному падінні. Багато експериментів, які потім було поставлено на космічних апаратах, проходили попереднє тестування в цій вежі, тому її називають «ворітами в космос» (a gateway to space).

Куляста форма полум'я пояснюється тим, що в умовах невагомості немає висхідного руху повітря і не відбувається конвекція теплих і холодних шарів, яка на Землі «витягує» полум'я у форму краплі. Полум'я для горіння не вистачає притоку свіжого повітря, Що містить кисень, і воно виходить менше і не таке гаряче. Звичний для нас на Землі жовто-жовтогарячий колір полум'я викликаний свіченням частинок сажі, які піднімаються вгору з гарячим потоком повітря. У невагомості ж полум'я набуває блакитного кольору, тому що сажі утворюється мало (для цього потрібна температура більше 1000°С), та й та сажа, що є, через нижчу температуру світитиметься тільки в інфрачервоному діапазоні. На верхньому фото в полум'ї ще є жовто-жовтогарячий колір, оскільки знята рання стадія займання, коли кисню ще достатньо.

Дослідження горіння в умовах невагомості особливо важливі для забезпечення безпеки космічних апаратів. Експерименти з придушення вогню (Flame Extinguishment Experiment, FLEX) вже кілька років проводять у спеціальному відсіку на борту МКС. Дослідники спалахують невеликі краплі палива (наприклад, гептану та метанолу) у контрольованій атмосфері. Маленька кулька палива горить приблизно 20 секунд, оточена сферою вогню діаметром 2,5-4 мм, після чого крапля зменшується доки або не згасне полум'я, або не скінчиться паливо. Найнесподіванішим результатом виявилося те, що крапля гептану після видимого згоряння перейшла в так звану холодну фазу - полум'я стало настільки слабким, що його неможливо було побачити. І все ж таки це було горіння: вогонь міг миттєво спалахнути при взаємодії з киснем або паливом.

Як пояснюють дослідники, при звичайному горіннітемпература полум'я коливається між 1227°З 1727°С - при цій температурі в експерименті і був видимий вогонь. У міру згоряння палива починалося «холодне горіння»: полум'я остигало до 227-527 ° С і виробляло не сажу, вуглекислий газ і воду, а більш токсичні матеріали - формальдегід і монооксид вуглецю. У ході експерименту FLEX також підбирали найменш вогненебезпечну атмосферу на основі вуглекислого газута гелію, що допоможе в майбутньому знизити ризик загоряння космічних апаратів.

Про горіння та полум'я на Землі та в невагомості див.
Костянтин Богданов «Де собака заритий?» - «5. Що таке вогонь? .

Янаш Банніков