L'esperimento, condotto a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, ha dato risultati inaspettati: la fiamma aperta si è comportata in modo molto diverso da quanto si aspettavano gli scienziati.
Come piace dire ad alcuni scienziati, il fuoco è l'esperimento chimico più antico e di maggior successo dell'umanità. Il fuoco, infatti, accompagna l'umanità da sempre: dai primi falò, sui quali si friggeva la carne, alla fiamma di un motore a razzo che portava una persona sulla luna. In generale, il fuoco è un simbolo e uno strumento del progresso della nostra civiltà.
Il dottor Forman A. Williams, professore di fisica all'Università della California, San Diego, ha una lunga storia di ricerche sulle fiamme. Il fuoco è solitamente un processo complesso di migliaia di reazioni chimiche interconnesse. Ad esempio, nella fiamma di una candela, le molecole di idrocarburi evaporano dallo stoppino, si decompongono se esposte al calore e si combinano con l'ossigeno per produrre luce, calore, CO2 e acqua. Alcune delle frazioni idrocarburiche sotto forma di molecole a forma di anello, chiamate idrocarburi policiclici aromatici, formano fuliggine, che può anche bruciare o trasformarsi in fumo. La familiare forma a goccia della luce della candela è data dalla gravità e dalla convezione: l'aria calda sale verso l'alto e attira aria fresca e fredda nella fiamma, tirando così la fiamma verso l'alto.
Ma si scopre che in assenza di gravità tutto accade in modo diverso. In un esperimento chiamato FLEX, gli scienziati hanno studiato il fuoco a bordo della ISS per sviluppare tecnologie per estinguere gli incendi a gravità zero. I ricercatori hanno acceso piccole bolle di eptano all'interno di una camera speciale e hanno osservato come si comportavano le fiamme.
Gli scienziati si trovano di fronte a uno strano fenomeno. In condizioni di microgravità, la fiamma brucia in modo diverso, forma piccole palline. Questo fenomeno era previsto perché, a differenza di una fiamma sulla Terra, in assenza di gravità, ossigeno e carburante si incontrano in uno strato sottile sulla superficie di una sfera. Questo è uno schema semplice che differisce dal fuoco terrestre. Tuttavia, è stata scoperta una stranezza: gli scienziati hanno osservato la continua combustione di palle di fuoco anche dopo che, secondo tutti i calcoli, la combustione avrebbe dovuto interrompersi. Allo stesso tempo, il fuoco è passato alla cosiddetta fase fredda: bruciava molto debolmente, tanto che la fiamma non poteva essere vista. Tuttavia, stava bruciando e la fiamma poteva esplodere istantaneamente con grande forza al contatto con carburante e ossigeno.
Di solito il fuoco visibile brucia ad alte temperature tra 1227 e 1727 gradi Celsius. Anche le bolle di eptano sulla ISS bruciavano intensamente a questa temperatura, ma quando il carburante si esauriva e si raffreddava, iniziò una combustione completamente diversa: a freddo. Si svolge a una temperatura relativamente bassa di 227-527 gradi Celsius e non produce fuliggine, CO2 e acqua, ma il monossido di carbonio e la formaldeide più tossici.
Tipi simili di fiamme fredde sono stati riprodotti nei laboratori sulla Terra, ma in condizioni di gravità, un tale fuoco stesso è instabile e si estingue sempre rapidamente. Sulla ISS, tuttavia, una fiamma fredda può bruciare costantemente per diversi minuti. Questa non è una scoperta molto piacevole, poiché il fuoco freddo rappresenta un pericolo maggiore: si accende più facilmente, anche spontaneamente, è più difficile da rilevare e, inoltre, rilascia più sostanze tossiche. D'altra parte, la scoperta può trovare applicazione pratica, ad esempio, nella tecnologia HCCI, che prevede l'accensione del carburante nei motori a benzina non dalle candele, ma da una fiamma fredda.
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Questa foto è stata scattata durante un esperimento per studiare la fisica della combustione in una speciale torre di 30 metri (2.2-Second Drop Tower) del John Glenn Research Center (Glenn Research Center), creata per simulare le condizioni di microgravità in caduta libera. Molti esperimenti che sono stati poi eseguiti su veicoli spaziali sono stati testati preliminarmente in questa torre, quindi è chiamata "una porta per lo spazio".
La forma sferica della fiamma è spiegata dal fatto che in condizioni di gravità zero non c'è movimento di aria ascendente e non si verifica convezione dei suoi strati caldi e freddi, che sulla Terra "tira" la fiamma in una forma a goccia. La fiamma per la combustione non ha abbastanza aria fresca contenente ossigeno, e risulta essere più piccola e non così calda. Il colore giallo-arancio della fiamma a noi familiare sulla Terra è causato dal bagliore delle particelle di fuliggine che salgono verso l'alto con un flusso d'aria caldo. In assenza di gravità, la fiamma acquisisce un colore blu, perché si forma poca fuliggine (ciò richiede una temperatura superiore a 1000 ° C), e la fuliggine cioè, a causa della temperatura più bassa, brillerà solo nella gamma degli infrarossi. Nella foto in alto, il colore giallo-arancio è ancora presente nella fiamma, poiché la fase iniziale dell'accensione viene catturata quando c'è ancora abbastanza ossigeno.
Le indagini sulla combustione a gravità zero sono particolarmente importanti per garantire la sicurezza dei veicoli spaziali. Ormai da diversi anni gli esperimenti Flame Extinguishment Experiment (FLEX) sono stati condotti in un compartimento speciale a bordo della ISS. I ricercatori accendono piccole goccioline di carburante (come eptano e metanolo) in un'atmosfera controllata. Una piccola palla di carburante brucia per circa 20 secondi, circondata da una sfera di fuoco con un diametro di 2,5–4 mm, dopodiché la goccia diminuisce fino a quando la fiamma si spegne o il carburante si esaurisce. Il risultato più inaspettato è stato che una goccia di eptano, dopo una combustione visibile, è passata nella cosiddetta "fase fredda" - la fiamma è diventata così debole che era impossibile vederla. Eppure bruciava: il fuoco poteva scoppiare all'istante quando si interagiva con l'ossigeno o il carburante.
Come spiegano i ricercatori, durante la normale combustione, la temperatura della fiamma oscilla tra 1227 ° C e 1727 ° C - a questa temperatura nell'esperimento c'era un fuoco visibile. Man mano che il combustibile bruciava, iniziò la "combustione a freddo": la fiamma si raffreddò a 227–527 ° C e non produsse fuliggine, anidride carbonica e acqua, ma materiali più tossici: formaldeide e monossido di carbonio. L'esperimento FLEX ha anche selezionato l'atmosfera meno infiammabile a base di anidride carbonica ed elio, che contribuirà a ridurre il rischio di incendi di veicoli spaziali in futuro.
