El experimento, llevado a cabo a bordo de la Estación Espacial Internacional, dio resultados inesperados: la llama abierta se comportó de manera bastante diferente de lo que esperaban los científicos.
Como les gusta decir a algunos científicos, el fuego es el experimento químico más antiguo y exitoso de la humanidad. De hecho, el fuego siempre ha acompañado a la humanidad: desde las primeras hogueras, en las que se frió la carne, hasta la llama de un motor cohete que llevó a una persona a la luna. En general, el fuego es un símbolo e instrumento del progreso de nuestra civilización.
El Dr. Forman A. Williams, profesor de física en la Universidad de California en San Diego, tiene una larga trayectoria en la investigación de las llamas. El fuego suele ser un proceso complejo de miles de reacciones químicas interconectadas. Por ejemplo, en la llama de una vela, las moléculas de hidrocarburos se evaporan de la mecha, se descomponen cuando se exponen al calor y se combinan con el oxígeno para producir luz, calor, CO2 y agua. Algunos de los restos de hidrocarburos en forma de moléculas en forma de anillo, llamados hidrocarburos aromáticos policíclicos, forman hollín, que también puede quemarse o convertirse en humo. La conocida forma de lágrima de la luz de la vela viene dada por la gravedad y la convección: el aire caliente se eleva hacia arriba y atrae aire fresco hacia la llama, tirando así de la llama hacia arriba.
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Pero resulta que en gravedad cero todo sucede de manera diferente. En un experimento llamado FLEX, los científicos estudiaron el fuego a bordo de la ISS para desarrollar tecnologías para extinguir incendios en gravedad cero. Los investigadores encendieron pequeñas burbujas de heptano dentro de una cámara especial y observaron cómo se comportaban las llamas.
Los científicos se enfrentan a un fenómeno extraño. En microgravedad, la llama arde de manera diferente, forma pequeñas bolas. Este fenómeno se esperaba porque, a diferencia de una llama en la Tierra, en gravedad cero, el oxígeno y el combustible se encuentran en una capa delgada en la superficie de una esfera. Este es un esquema simple que se diferencia del fuego terrestre. Sin embargo, se descubrió algo extraño: los científicos observaron la continuación de la quema de bolas de fuego incluso después, según todos los cálculos, la combustión debería haberse detenido. Al mismo tiempo, el fuego pasó a la llamada fase fría: ardía muy débilmente, tanto que no se podía ver la llama. Sin embargo, estaba ardiendo y la llama podía estallar instantáneamente con gran fuerza al entrar en contacto con el combustible y el oxígeno.
El fuego generalmente visible arde a altas temperaturas entre 1227 y 1727 grados Celsius. Las burbujas de heptano en la ISS también ardieron intensamente a esta temperatura, pero cuando el combustible se agotó y se enfrió, comenzó una combustión completamente diferente: fría. Tiene lugar a una temperatura relativamente baja de 227-527 grados Celsius y no produce hollín, CO2 ni agua, sino monóxido de carbono y formaldehído más tóxicos.
En los laboratorios de la Tierra se han reproducido tipos similares de llamas frías, pero en condiciones de gravedad, ese fuego en sí mismo es inestable y siempre se extingue rápidamente. En la ISS, sin embargo, una llama fría puede arder de manera constante durante varios minutos. Este no es un descubrimiento muy agradable, ya que el fuego frío presenta un peligro mayor: se enciende con mayor facilidad, incluso espontáneamente, es más difícil de detectar y, además, libera más sustancias tóxicas. Por otro lado, el descubrimiento puede encontrar una aplicación práctica, por ejemplo, en la tecnología HCCI, que implica encender el combustible en motores de gasolina no con velas, sino con una llama fría.
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Esta imagen fue tomada durante un experimento para estudiar la física de la combustión en una torre especial de 30 metros (2.2-Second Drop Tower) del Centro de Investigación John Glenn (Centro de Investigación Glenn), creada para simular las condiciones de microgravedad en caída libre. Muchos experimentos que luego se realizaron en naves espaciales se probaron preliminarmente en esta torre, por lo que se la denomina "puerta de entrada al espacio".
La forma esférica de la llama se explica por el hecho de que en condiciones de gravedad cero no hay movimiento de aire ascendente y no se produce la convección de sus capas cálidas y frías, lo que en la Tierra "tira" de la llama en forma de gota. La llama para la combustión no tiene suficiente aire fresco que contenga oxígeno y resulta ser más pequeña y no tan caliente. El color amarillo anaranjado de la llama que nos es familiar en la Tierra es causado por el brillo de las partículas de hollín que se elevan hacia arriba con una corriente de aire caliente. En gravedad cero, la llama adquiere un color azul, porque se forma poco hollín (esto requiere una temperatura de más de 1000 ° C), y el hollín que es debido a la temperatura más baja, brillará solo en el rango infrarrojo. En la foto superior, el color amarillo-naranja todavía está presente en la llama, ya que la primera etapa de la ignición se captura cuando todavía hay suficiente oxígeno.
Las investigaciones de la combustión en gravedad cero son especialmente importantes para garantizar la seguridad de las naves espaciales. Desde hace varios años, los experimentos del Experimento de extinción de llamas (FLEX) se han llevado a cabo en un compartimento especial a bordo de la ISS. Los investigadores encienden pequeñas gotas de combustible (como heptano y metanol) en una atmósfera controlada. Una pequeña bola de combustible arde durante unos 20 segundos, rodeada por una esfera de fuego con un diámetro de 2,5 a 4 mm, después de lo cual la gota disminuye hasta que se apaga la llama o se agota el combustible. El resultado más inesperado fue que una gota de heptano, después de la combustión visible, pasó a la llamada "fase fría": la llama se volvió tan débil que era imposible verla. Y, sin embargo, estaba ardiendo: el fuego podía estallar instantáneamente al interactuar con oxígeno o combustible.
Como explican los investigadores, durante la combustión normal, la temperatura de la llama fluctúa entre 1227 ° C y 1727 ° C; a esta temperatura en el experimento hubo un incendio visible. A medida que se quemaba el combustible, comenzó la “combustión en frío”: la llama se enfrió a 227–527 ° C y no produjo hollín, dióxido de carbono y agua, sino materiales más tóxicos: formaldehído y monóxido de carbono. El experimento FLEX también seleccionó la atmósfera menos inflamable basada en dióxido de carbono y helio, lo que ayudará a reducir el riesgo de incendios de naves espaciales en el futuro.
