Eksperiments, kas tika veikts uz Starptautiskās kosmosa stacijas, deva negaidītus rezultātus - atklātā liesma izturējās pavisam savādāk, nekā zinātnieki gaidīja.
Kā dažiem zinātniekiem patīk teikt, uguns ir cilvēces vecākais un veiksmīgākais ķīmiskais eksperiments. Patiešām, uguns vienmēr ir gājusi kopā ar cilvēci: no pirmajiem ugunskuriem, uz kuriem tika cepta gaļa, līdz raķešu dzinēja liesmai, kas cilvēku atnesa uz Mēness. Kopumā uguns ir mūsu civilizācijas progresa simbols un instruments.
Dr Formanam A. Williams, Kalifornijas Universitātes, Sandjego, fizikas profesoram ir sena liesmu izpētes vēsture. Uguns parasti ir sarežģīts tūkstošiem savstarpēji saistītu ķīmisku reakciju process. Piemēram, sveces liesmā ogļūdeņražu molekulas iztvaicē no dakts, saskaroties ar karstumu, sadalās un apvienojas ar skābekli, lai iegūtu gaismu, siltumu, CO2 un ūdeni. Dažas no ogļūdeņražu grupām gredzenveida molekulu veidā, ko sauc par policikliskiem aromātiskiem ogļūdeņražiem, veido kvēpus, kas var arī sadedzināt vai pārvērsties dūmos. Sveču gaismas pazīstamo asaras formu piešķir gravitācija un konvekcija: karsts gaiss paceļas augšup un liesmā ievelk svaigu aukstu gaisu, tādējādi ievelkot liesmu uz augšu.
Bet izrādās, ka nulles gravitācijas apstākļos viss notiek savādāk. Eksperimentā ar nosaukumu FLEX zinātnieki pētīja uguni uz ISS, lai izstrādātu tehnoloģijas ugunsgrēku dzēšanai ar nulles gravitācijas pakāpi. Pētnieki speciālajā kamerā aizdedzināja mazus heptāna burbuļus un vēroja, kā liesmas izturējās.
Zinātnieki saskaras ar dīvainu parādību. Mikrogravitācijas apstākļos liesma deg atšķirīgi, veidojot mazas bumbiņas. Šī parādība tika gaidīta, jo, atšķirībā no liesmas uz Zemes, nulles gravitācijā skābeklis un degviela satiekas plānā slānī uz sfēras virsmas. Šī ir vienkārša shēma, kas atšķiras no zemes uguns. Tomēr tika atklāta dīvainība: zinātnieki novēroja nepārtrauktu ugunsbumbu degšanu pat pēc visiem aprēķiniem, ka degšanai vajadzēja būt pārtrauktai. Tajā pašā laikā uguns pārgāja tā dēvētajā aukstajā fāzē - tas dega ļoti vāji, tik daudz, ka liesmu nevarēja redzēt. Tomēr tas dega, un liesma nekavējoties varēja eksplodēt ar lielu spēku, nonākot saskarē ar degvielu un skābekli.
Parasti redzams ugunsgrēks deg augstā temperatūrā no 1227 līdz 1727 grādiem pēc Celsija. Arī ISP esošie heptāna burbuļi šajā temperatūrā spilgti dega, bet, degvielai noplicinoties un atdziestot, sākās pavisam cita degšana - auksts. Tas notiek relatīvi zemā temperatūrā 227-527 grādi pēc Celsija un nerada kvēpus, CO2 un ūdeni, bet toksiskāku oglekļa monoksīdu un formaldehīdu.
Līdzīgi aukstu liesmu veidi ir reproducēti laboratorijās uz Zemes, taču smaguma apstākļos šāds ugunsgrēks pats par sevi ir nestabils un vienmēr ātri iznīkst. Tomēr ISS aukstā liesma var nepārtraukti degt vairākas minūtes. Tas nav ļoti patīkams atklājums, jo auksts uguns rada paaugstinātu bīstamību: tas vieglāk aizdegas, arī spontāni, to ir grūtāk atklāt, un turklāt tas izdala toksiskākas vielas. No otras puses, atklājums var atrast praktisku pielietojumu, piemēram, HCCI tehnoloģijā, kas paredz degvielu benzīna motoros aizdedzināt nevis no svecēm, bet no aukstas liesmas.
Reklāmas video:
Šis attēls tika uzņemts eksperimenta laikā, lai izpētītu degšanas fiziku speciālā Jāņa Glenna pētījumu centra (Glennas pētījumu centrs) 30 metru tornī (2,2 sekunžu kritiena tornis), kas izveidots, lai modelētu mikrogravitācijas apstākļus brīvā kritienā. Daudzi torņi, kas pēc tam tika veikti ar kosmosa kuģiem, tika iepriekš pārbaudīti šajā tornī, tāpēc to sauc par "vārtiem uz kosmosu".
Liesmas sfēriskā forma ir izskaidrojama ar to, ka nulles gravitācijas apstākļos gaisa kustība augoši nenotiek un tās silto un auksto slāņu konvekcija nenotiek, kas uz Zemes "ievelk" liesmu piliena formā. Degšanas liesmai nav pietiekami daudz svaiga gaisa, kas satur skābekli, un tas izrādās mazāks un nav tik karsts. Dzelteni oranžo krāsu, kas mums pazīstama uz Zemes, izraisa kvēpu daļiņu mirdzums, kas paceļas augšup ar karstu gaisa plūsmu. Nulles gravitācijas apstākļos liesma iegūst zilu krāsu, jo veidojas maz kvēpu (tam nepieciešama temperatūra vairāk nekā 1000 ° C), un kvēpi, kas ir zemākas temperatūras dēļ, kvēlot tikai infrasarkanā diapazonā. Augšējā fotoattēlā liesmā joprojām ir dzelteni oranža krāsa, jo aizdedzes agrīnā stadija tiek uztverta, kad vēl ir pietiekami daudz skābekļa.
Degšanas pētījumi nulles gravitācijas apstākļos ir īpaši svarīgi, lai nodrošinātu kosmosa kuģa drošību. Jau vairākus gadus īpašā nodalījumā uz ISS tiek veikti eksperimenti ar liesmas dzēšanas eksperimentu (FLEX). Pētnieki kontrolētā atmosfērā aizdedzina mazus degvielas pilienus (piemēram, heptānu un metanolu). Apmēram 20 sekundes deg neliela degvielas bumbiņa, ko ieskauj uguns sfēra ar diametru 2,5–4 mm, pēc tam kritums samazinās līdz brīdim, kad liesma izdziest vai degviela iztek. Visnegaidītākais rezultāts bija tāds, ka heptāna piliens pēc redzamas sadegšanas nonāca tā sauktajā "aukstajā fāzē" - liesma kļuva tik vāja, ka to nebija iespējams redzēt. Un tomēr tas dega: uguns var uzreiz izcelties, mijiedarbojoties ar skābekli vai degvielu.
Kā skaidro pētnieki, normālas degšanas laikā liesmas temperatūra svārstās no 1227 ° C līdz 1727 ° C - šajā temperatūrā eksperimentā bija redzams ugunsgrēks. Degvielai degot, sākās “aukstā degšana”: liesma atdzisa līdz 227–527 ° C un radīja nevis kvēpus, oglekļa dioksīdu un ūdeni, bet toksiskākus materiālus - formaldehīdu un oglekļa monoksīdu. FLEX eksperiments arī izvēlējās vismazāk uzliesmojošo atmosfēru, kuras pamatā ir oglekļa dioksīds un hēlijs, kas nākotnē palīdzēs samazināt kosmosa kuģu ugunsgrēku risku.