Flammedesign i rummet kan føre til sodfri brand

I årtier, Forskere har været i stand til at brænde brændstoffer i en flamme uden at skabe sod, og de tror, ​​de ved hvorfor. De har knækket tallene og kørt eksperimenter i højteknologiske faciliteter, men der er kun én måde at være sikker på om det grundlæggende forhold mellem flammer og sod:

De skal tænde bål i rummet.

Til det formål, astronaut Christina Koch - der i øjeblikket er ombord på den internationale rumstation (ISS) og forventes at sætte rekord for længste rumflyvning af en kvinde - er begyndt at arbejde på eksperimenter for at antænde en flamme, derefter observere og studere dens egenskaber. Hvis eksperimenterne viser, hvad jordbundne forskere forventer, at de vil, dette kan føre til en ny, grundlæggende forståelse af forbrændingens egenskaber.

"Vi måler sod, vurdere styrken af ​​flammen, strålingen, der kommer ud af flammen og gassammensætning og temperaturer, så vi kan sikre, at vores forudsigelser er korrekte, " sagde Richard Axelbaum, Stifel &Quinette Jens Professor i Environmental Engineering Science ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis. Til dette projekt, han vil have assistance fra Peter Sunderland, professor ved University of Maryland.

Axelbaum er også direktør for Consortium for Clean Coal Utilization, og der er én ting, sod ikke er:ren.

"Sod, nummer et, er et forurenende stof. Det kan også være kræftfremkaldende, så vi ønsker ikke at indånde en masse sod, " sagde Axelbaum. "Og den kan absorbere sollys og opvarme planeten." Det er, faktisk, den næststørste bidragyder til atmosfærisk opvarmning, ved siden af ​​kuldioxid.

Med tilstrækkelig ilt, forbrænding frigiver den maksimale mængde energi, der er tilgængelig fra det brændstof, der forbrændes - det brænder effektivt - og biprodukterne er kun kuldioxid og vand. Sod, som er et biprodukt af ufuldstændig forbrænding, opstår, når ilt ikke er tilgængeligt til forbrænding. For eksempel, i en stearinlys flamme, den bløde gule glød kommer fra sodpartikler - produceret i flammens indre - der opvarmes til høje temperaturer

For mange mennesker, forbrænding er mest kendt som ild, det være sig et stearinlys eller et lejrbål. Brændstoffet reagerer i en atmosfære, der hovedsageligt består af nitrogen - luften vi indånder er omkring 78% nitrogen, 21% oxygen og små mængder af forskellige andre gasser. Og den velkendte gule glød er en indikation af, at der dannes sod i disse flammer.

"Men hvis jeg tager nitrogenet ud af luften og putter det i brændstoffet, du stadig har den samme nitrogen-ilt-brændstofblanding, Axelbaum sagde, "men det ændrer dramatisk flammestrukturen." De samme ingredienser i samme proportioner, men blandet anderledes, helt undertrykke dannelsen af ​​sod under forbrænding.

"Vi kalder dette flammedesign, fordi du bruger de samme ingredienser, men med godt design, giver betingelser, der i sig selv aldrig kan producere sod.

"På samme tid, flammen er stærkere, gør det mere modstandsdygtigt over for at blive slukket lokalt, som ville føre til ufuldstændig forbrænding og forurening, " sagde Axelbaum. "Så det er to meget gode resultater af flammedesign."

Så hvorfor tænde et bål i rummet?

Så længe mennesker har tændt bål, der er stadig ubesvarede spørgsmål om forbrændingens karakter. For en, der er konkurrerende teorier om, hvorfor denne tilgang til forbrænding giver flammer, der ikke kan producere sod.

"Det er et grundlæggende spørgsmål, Axelbaum sagde, "og der er to konkurrerende teorier til at fortolke vores resultater." En teori er, at svaret er relateret til flowfeltet, specifikt strømmen af ​​gasserne i flammen. Den anden teori, stillet af Axelbaum, er, at sodundertrykkelsen er relateret til en iboende egenskab ved flammestrukturen, og ikke relateret til væskeflow. Hvis så, dette kan have vigtige konsekvenser for, hvordan vi undertrykker sod i forbrændingsprocesser.

"På jorden, hvis du har en flamme, sige et stearinlys, flammeformen går altid op, " sagde Axelbaum. "Det er fordi de varme gasser i flammen ikke er så tætte som de omgivende gasser, og så rejser de sig, som en luftballon. Dermed, vi kan ikke systematisk kontrollere denne strøm på Jorden."

I et miljø med mikrotyngdekraft - et hvor tyngdekraftens virkninger er væsentligt svagere end på Jorden - flyder en flamme ikke op. Faktisk, flammerne i Axelbaums eksperiment på ISS danner kugler.

Hvis sodfri forbrænding er en funktion af flowfeltet, derefter i mikrogravitation, den samme blanding af ilt og nitrogen-infunderet brændstof vil skabe sod. Men hvis undertrykkelsen af ​​sod er relateret til egenskaber, der er iboende i flammestrukturen, forskere bør se det samme i rummet – ingen sod.

Forskere vil også kunne måle, hvor længe flammen holder, hvilket indikerer hvor stærk den er. Igen, de forventer, at den er stærkere end en flamme, der brænder med en blanding af nitrogen og ilt (luft) på grund af flammens struktur.

"Vi skal til rummet for at lave grundlæggende forskning, at få en dybere forståelse af forbrændingsvidenskab, sagde Axelbaum.

"Vi går til rummet for at opnå et kontrolleret miljø, der er anderledes end det, du har hernede, " sagde han. "Den viden, vi får, kan oversættes til, hvad der sker på Jorden, for at give en mere miljøvenlig forbrænding."