O experimento, realizado a bordo da Estação Espacial Internacional, deu resultados inesperados - a chama aberta se comportou de maneira bem diferente do que os cientistas esperavam.
Como alguns cientistas gostam de dizer, o fogo é o experimento químico mais antigo e bem-sucedido da humanidade. Na verdade, o fogo sempre acompanhou a humanidade: desde as primeiras fogueiras, nas quais se fritava a carne, até a chama de um foguete que levava uma pessoa à lua. Em geral, o fogo é um símbolo e instrumento do progresso de nossa civilização.
O Dr. Forman A. Williams, professor de física da Universidade da Califórnia, San Diego, tem uma longa história de pesquisa sobre chamas. O fogo é geralmente um processo complexo de milhares de reações químicas interconectadas. Por exemplo, na chama de uma vela, as moléculas de hidrocarboneto evaporam do pavio, se decompõem quando expostas ao calor e se combinam com o oxigênio para produzir luz, calor, CO2 e água. Algumas das porções de hidrocarbonetos na forma de moléculas em forma de anel, chamadas de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, formam fuligem, que também pode queimar ou se transformar em fumaça. A forma familiar de lágrima da luz da vela é dada pela gravidade e convecção: o ar quente sobe e atrai ar frio fresco para a chama, puxando assim a chama para cima.
Mas acontece que na gravidade zero tudo acontece de maneira diferente. Em um experimento chamado FLEX, os cientistas estudaram o fogo a bordo da ISS para desenvolver tecnologias para extinguir incêndios em gravidade zero. Os pesquisadores acenderam pequenas bolhas de heptano dentro de uma câmara especial e observaram como as chamas se comportavam.
Os cientistas se deparam com um fenômeno estranho. Na microgravidade, a chama queima de forma diferente, forma pequenas bolas. Esse fenômeno era esperado porque, ao contrário de uma chama na Terra, em gravidade zero, o oxigênio e o combustível se encontram em uma fina camada na superfície de uma esfera. Este é um esquema simples que difere do fogo terrestre. No entanto, uma estranheza foi descoberta: os cientistas observaram a queima contínua de bolas de fogo mesmo depois que, de acordo com todos os cálculos, a combustão deveria ter parado. Ao mesmo tempo, o fogo passou para a chamada fase fria - queimava muito fracamente, tanto que a chama não podia ser vista. No entanto, estava queimando, e a chama poderia explodir instantaneamente com grande força ao entrar em contato com combustível e oxigênio.
Normalmente, o fogo visível queima em altas temperaturas entre 1227 e 1727 graus Celsius. As bolhas de heptano na ISS também queimaram intensamente nessa temperatura, mas conforme o combustível se esgotou e esfriou, uma combustão completamente diferente começou - fria. Ocorre a uma temperatura relativamente baixa de 227-527 graus Celsius e não produz fuligem, CO2 e água, mas o monóxido de carbono e formaldeído mais tóxicos.
Tipos semelhantes de chamas frias foram reproduzidas em laboratórios na Terra, mas sob condições de gravidade, esse tipo de fogo é instável e sempre se extingue rapidamente. Na ISS, entretanto, uma chama fria pode queimar continuamente por vários minutos. Não é uma descoberta muito agradável, pois o fogo frio apresenta um perigo acrescido: acende-se com mais facilidade, inclusive espontaneamente, é mais difícil de detectar e, além disso, libera mais substâncias tóxicas. Por outro lado, a descoberta pode ter aplicação prática, por exemplo, na tecnologia HCCI, que envolve a ignição de combustível em motores a gasolina não a partir de velas, mas de uma chama fria.
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Esta foto foi tirada durante um experimento para estudar a física da combustão em uma torre especial de 30 metros (2.2 Seconds Drop Tower) do John Glenn Research Center (Glenn Research Center), criada para simular as condições de microgravidade em queda livre. Muitos experimentos que foram realizados em espaçonaves foram testados preliminarmente nesta torre, por isso é chamada de "porta de entrada para o espaço".
A forma esférica da chama é explicada pelo fato de que sob condições de gravidade zero não há movimento ascendente do ar e não ocorre convecção de suas camadas quentes e frias, o que na Terra "puxa" a chama para a forma de gota. A chama de combustão não tem ar fresco suficiente contendo oxigênio, e acaba sendo menor e não tão quente. A cor amarelo-laranja da chama que conhecemos na Terra é causada pelo brilho de partículas de fuligem que sobem com um jato de ar quente. Em gravidade zero, a chama adquire uma coloração azulada, pois pouca fuligem se forma (isso requer uma temperatura acima de 1000 ° C), e a fuligem que é, devido à temperatura mais baixa, brilhará apenas na faixa do infravermelho. Na foto superior, a cor amarelo-laranja ainda está presente na chama, pois o estágio inicial da ignição é capturado quando ainda há oxigênio suficiente.
As investigações da combustão em gravidade zero são especialmente importantes para garantir a segurança das espaçonaves. Por vários anos, experimentos de extinção de chamas (FLEX) têm sido realizados em um compartimento especial a bordo da ISS. Os pesquisadores acendem pequenas gotas de combustível (como heptano e metanol) em uma atmosfera controlada. Uma pequena bola de combustível queima por cerca de 20 segundos, cercada por uma esfera de fogo com um diâmetro de 2,5–4 mm, após o que a gota diminui até que a chama se apague ou o combustível acabe. O resultado mais inesperado foi que uma gota de heptano, após combustão visível, passou para a chamada "fase fria" - a chama tornou-se tão fraca que era impossível vê-la. E, no entanto, estava queimando: o fogo poderia explodir instantaneamente ao interagir com o oxigênio ou combustível.
Como explicam os pesquisadores, durante a combustão normal, a temperatura da chama oscila entre 1227 ° C e 1727 ° C - nessa temperatura no experimento havia um incêndio visível. Conforme o combustível queimava, a “combustão fria” começou: a chama resfriou a 227-527 ° C e não produziu fuligem, dióxido de carbono e água, mas materiais mais tóxicos - formaldeído e monóxido de carbono. O experimento FLEX também selecionou a atmosfera menos inflamável com base em dióxido de carbono e hélio, o que ajudará a reduzir o risco de incêndios em espaçonaves no futuro.
