L'expérience, menée à bord de la Station spatiale internationale, a donné des résultats inattendus - la flamme nue s'est comportée tout à fait différemment de ce que les scientifiques attendaient.
Comme certains scientifiques aiment à le dire, le feu est l'expérience chimique la plus ancienne et la plus réussie de l'humanité. En effet, le feu a toujours été avec l'humanité: des premiers feux de joie, sur lesquels la viande était frite, à la flamme d'un moteur de fusée qui a amené une personne sur la lune. Dans l'ensemble, le feu est un symbole et un instrument du progrès de notre civilisation.
Le Dr Forman A. Williams, professeur de physique à l'Université de Californie à San Diego, a une longue histoire de recherche sur les flammes. Le feu est généralement un processus complexe de milliers de réactions chimiques interconnectées. Par exemple, dans une flamme de bougie, les molécules d'hydrocarbures s'évaporent de la mèche, se décomposent lorsqu'elles sont exposées à la chaleur et se combinent avec l'oxygène pour produire de la lumière, de la chaleur, du CO2 et de l'eau. Certains des groupements hydrocarbonés sous forme de molécules en forme d'anneau, appelés hydrocarbures aromatiques polycycliques, forment de la suie, qui peut également brûler ou se transformer en fumée. La forme en forme de larme familière de la lumière de la bougie est donnée par la gravité et la convection: l'air chaud monte vers le haut et attire l'air frais et froid dans la flamme, tirant ainsi la flamme vers le haut.
Mais il s'avère qu'en apesanteur, tout se passe différemment. Dans une expérience appelée FLEX, les scientifiques ont étudié le feu à bord de l'ISS pour développer des technologies pour éteindre les incendies en apesanteur. Les chercheurs ont enflammé de petites bulles d'heptane à l'intérieur d'une chambre spéciale et ont observé le comportement des flammes.
Les scientifiques sont confrontés à un phénomène étrange. En microgravité, la flamme brûle différemment, elle forme de petites boules. Ce phénomène était attendu car, contrairement à une flamme sur Terre, en apesanteur, l'oxygène et le carburant se rencontrent en une fine couche à la surface d'une sphère. Il s'agit d'un schéma simple qui diffère du feu terrestre. Cependant, une bizarrerie a été découverte: les scientifiques ont observé la combustion continue des boules de feu même après, selon tous les calculs, la combustion aurait dû s'arrêter. Dans le même temps, le feu est passé dans la phase dite froide - il a brûlé très faiblement, à tel point que la flamme ne pouvait pas être vue. Cependant, il brûlait et la flamme pouvait instantanément éclater avec une grande force au contact du carburant et de l'oxygène.
Un feu généralement visible brûle à des températures élevées entre 1227 et 1727 degrés Celsius. Les bulles d'heptane sur l'ISS ont également brûlé vivement à cette température, mais lorsque le carburant s'est épuisé et refroidi, une combustion complètement différente a commencé - à froid. Il a lieu à une température relativement basse de 227-527 degrés Celsius et ne produit pas de suie, de CO2 et d'eau, mais du monoxyde de carbone et du formaldéhyde plus toxiques.
Des types similaires de flammes froides ont été reproduits dans des laboratoires sur Terre, mais dans des conditions de gravité, un tel feu lui-même est instable et s'éteint toujours rapidement. Sur l'ISS, cependant, une flamme froide peut brûler régulièrement pendant plusieurs minutes. Ce n'est pas une découverte très agréable, car le feu froid pose un danger accru: il s'enflamme plus facilement, y compris spontanément, il est plus difficile à détecter et, de plus, il dégage plus de substances toxiques. D'autre part, la découverte peut trouver une application pratique, par exemple, dans la technologie HCCI, qui consiste à allumer le carburant des moteurs à essence non pas à partir de bougies, mais à partir d'une flamme froide.
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Cette photo a été prise lors d'une expérience pour étudier la physique de la combustion dans une tour spéciale de 30 mètres (2,2 secondes Drop Tower) du John Glenn Research Center (Glenn Research Center), créée pour simuler les conditions de microgravité en chute libre. De nombreuses expériences qui ont ensuite été réalisées sur des engins spatiaux ont été préalablement testées dans cette tour, c'est pourquoi on l'appelle "une passerelle vers l'espace".
La forme sphérique de la flamme s'explique par le fait que, dans des conditions d'apesanteur, il n'y a pas de mouvement d'air ascendant et la convection de ses couches chaudes et froides ne se produit pas, ce qui sur Terre "tire" la flamme en forme de goutte. La flamme pour la combustion n'a pas assez d'air frais contenant de l'oxygène, et elle s'avère être plus petite et moins chaude. La couleur jaune-orange de la flamme qui nous est familière sur Terre est causée par la lueur des particules de suie qui montent vers le haut avec un courant d'air chaud. En apesanteur, la flamme acquiert une couleur bleue, car peu de suie se forme (cela nécessite une température de plus de 1000 ° C), et la suie qui, en raison de la température plus basse, ne brille que dans le domaine infrarouge. Sur la photo du haut, la couleur jaune-orange est toujours présente dans la flamme, car le stade précoce de l'allumage est capturé lorsqu'il y a encore assez d'oxygène.
Les enquêtes sur la combustion en apesanteur sont particulièrement importantes pour assurer la sécurité des engins spatiaux. Depuis plusieurs années, des expériences d'extinction de flamme (FLEX) sont menées dans un compartiment spécial à bord de l'ISS. Les chercheurs enflamment de petites gouttelettes de carburant (comme l'heptane et le méthanol) dans une atmosphère contrôlée. Une petite boule de combustible brûle pendant environ 20 secondes, entourée d'une sphère de feu d'un diamètre de 2,5 à 4 mm, après quoi la goutte diminue jusqu'à ce que la flamme s'éteigne ou que le combustible s'épuise. Le résultat le plus inattendu a été qu'une goutte d'heptane, après une combustion visible, est passée dans la soi-disant «phase froide» - la flamme est devenue si faible qu'il était impossible de la voir. Et pourtant, il brûlait: le feu pouvait instantanément éclater lors de l'interaction avec l'oxygène ou le carburant.
Comme l'expliquent les chercheurs, pendant la combustion normale, la température de la flamme fluctue entre 1227 ° C et 1727 ° C - à cette température de l'expérience, il y avait un feu visible. Au fur et à mesure que le combustible brûlait, la «combustion froide» commença: la flamme se refroidit à 227-527 ° C et produisit non pas de la suie, du dioxyde de carbone et de l'eau, mais des matériaux plus toxiques - le formaldéhyde et le monoxyde de carbone. L'expérience FLEX a également sélectionné l'atmosphère la moins inflammable à base de dioxyde de carbone et d'hélium, ce qui contribuera à réduire le risque d'incendies d'engins spatiaux à l'avenir.