At studere flammer i mikrotyngdekraft hjælper med at gøre forbrændingen på Jorden renere, og plads sikrere

At forstå, hvordan ild spreder sig og opfører sig i rummet, er afgørende for fremtidens astronauters sikkerhed og for at forstå og kontrollere ild her på Jorden.

Mikrotyngdekraft er også afgørende for, at forbrændingsforskere kan teste nogle af feltets kerneprincipper. "Hvis du ser på en lærebog om forbrænding, næsten alle de teorier, der udvikles, ignorerer tyngdekraftens indflydelse, " siger NASAs Glenn Research Center-forsker Daniel Dietrich.

Det primære fokus for mikrogravitationsforbrændingseksperimenter har været relateret til enten brandsikkerhed i rummet eller bedre forståelse af praktisk forbrænding på Jorden og i rummet. Den reducerede tyngdekraft skaber flammer, der ser meget anderledes ud end dem, der ses her på Jorden:med næsten fravær af tyngdekraft på rumstationen, flammer har tendens til at være kugleformede. På jorden, varme gasser fra flammen stiger, mens tyngdekraften trækker køligere, tættere luft til bunden af ​​flammen. Dette skaber både flammens form, samt en flimrende effekt. I mikrogravitation, dette flow forekommer ikke. Dette reducerer variablerne i forbrændingsforsøg, gør dem enklere og skaber sfærisk formede flammer.

At lære at lave renere eller mere effektive flammer kan have indflydelse på mange områder af vores liv. "Det meste af vores elektricitet i USA er genereret ved forbrænding, " siger Glenn-projektets videnskabsmand Dennis Stocker. "Med hensyn til krafttransport, hvor ville vi være uden forbrænding? Så forbrænding er en stor del af vores moderne liv."

Som med anden rumstationsforskning, eksperimenter med forbrænding er udviklet til at blive udført sikkert uden risiko for rumfartøjet eller dets besætning. Det er grunden til, at Combustion Integrated Rack (CIR) blev skabt og opsendt til den internationale rumstation i 2008. CIR, sammen med faciliteter såsom Microgravity Science Glovebox, skabt et sikkert og sikkert miljø, hvor man kan studere forbrænding uden at bringe besætningen i fare. CIR'en leverer hardware til generelle formål til at understøtte en bred vifte af forbrændingseksperimenter. Forskere har også leveret yderligere hardware til at udføre en række flammeeksperimenter.

"En af de største opdagelser, ikke kun i mikrogravitationsprogrammet, men i sandsynligvis de sidste 20-30 års forbrændingsforskning har været under FLEX-eksperimenterne på rumstationen, " siger Dietrich. FLame Extinguishment Experiment (FLEX) analyserede effektiviteten af ​​brandhæmmende midler ved at studere brændende brændstofdråber i CIR, da forskere ved et uheld gjorde en overraskende opdagelse relateret til kølige flammer, eller tilsyneladende fortsat "brænding" efter flammeslukning under visse forhold.

"Det er ikke kun vigtigt ud fra et nørdet teoretisk forbrændingssynspunkt, men også fra et praktisk synspunkt, " siger Dietrich. "De kemiske reaktioner ved lav temperatur, som vi kan studere på faciliteter som rumstationen, er meget vigtige i rigtige forbrændingssystemer som motorer."

Imidlertid, CIR er ikke den eneste måde at udføre forbrændingseksperimenter ved hjælp af rumstationen. Et sæt bemærkelsesværdige undtagelser er Saffire-eksperimenterne, der fandt sted ombord på et ubemandet Cygnus-rumfartøj, efter at de løsrev sig fra stationen. Siden disse eksperimenter fandt sted væk fra rumstationen, de kunne studere emner som brandspredning og iltforbrug i større flammer i mikrogravitation.

I øjeblikket udfører forskere et sæt eksperimenter kendt som Advanced Combustion via Microgravity Experiments (ACME) på det kredsende laboratorium. Disse tests er grupperet sammen, fordi de bruger det samme modulære sæt hardware på stationen. Sammen vil de give data, der kan hjælpe med at forbedre brændstofeffektiviteten og reducere produktionen af ​​forurenende stoffer i praktisk forbrænding på Jorden.

En af disse ACME-undersøgelser, kendt som Flame Design, fokuserer på sod, kulstofresten, der efterlades, når organisk stof (eller andet kulstofholdigt materiale) ikke brænder helt. Sod forårsager miljø- og sundhedsproblemer, men kan også være nyttig på forskellige måder; for eksempel, ved at forstærke strålevarmen. Strålingsvarme er grunden til, at du føler dig varmere, når du står i direkte sollys, end når du står i skyggen.

Normalt, de fleste flammer på Jorden brænder i luften. Inert gas indføres samtidig med ilt til forbrænding på Jorden. Denne undersøgelse introducerer i stedet den inerte gas med brændstoffet, frem for med ilten. "Det viser sig, det har stor indflydelse på flammen, " siger hovedefterforsker Richard Axelbaum. "I dette tilfælde, selvom temperaturen på flammerne kan være den samme, uanset om du introducerer det inaktive med oxidationsmidlet eller brændstoffet, virkningen for soddannelse eller flammestyrke er væsentligt anderledes."

Flame Design undersøgelsen studerer mængden af ​​sod, der produceres under forskellige flammeforhold. Hver test producerer en flamme og kan producere sodklynger, der lyser gule, når de er varme. Disse klynger vokser sig større i mikrotyngdekraft end på Jorden, fordi soden forbliver i flammen længere.

Resultatet af dette eksperiment kunne muliggøre design af flammer, der er mere sod- eller sodfrie, afhængigt af behovet for en specifik applikation. "Når du er helt færdig med forbrændingsprocessen, generelt vil du have fuldstændig udbrændthed af al sod. Det er sandt, når du producerer strøm, " siger Axelbaum. "Der er nogle andre tilfælde, hvor dit mål er at producere kønrøg, som er en form for sod." For det meste dog, disse resultater kan hjælpe med at skabe mere effektive og mindre forurenende brænderdesigns.

Den viden, der er opnået fra disse forbrændingseksperimenter ombord på det kredsende laboratorium, hjælper os med bedre at forstå ild her på Jorden, men det vil være afgørende, når man forbereder sig på fremtidige missioner uden for lavt kredsløb om Jorden. "En del af fremtiden er at se på delvis tyngdekraft, " siger Stocker. "Forståelse af, at det vil være vigtigt for brandsikkerheden i andre verdener, som Månen eller Mars."