Wie brennt Feuer in der Schwerelosigkeit? Brennt in einem Raumschiff eine Kerze?

Wie brennt Feuer in der Schwerelosigkeit? Was ist Verbrennung? Dabei handelt es sich um eine chemische Oxidationsreaktion, die freigesetzt wird große Menge Hitze und die Bildung heißer Verbrennungsprodukte. Der Verbrennungsprozess kann nur in Gegenwart eines brennbaren Stoffes, Sauerstoff, und unter der Voraussetzung stattfinden, dass Oxidationsprodukte aus der Verbrennungszone entfernt werden. Mal sehen, wie die Kerze funktioniert und was genau darin brennt. Eine Kerze ist ein aus Baumwollfäden gedrehter Docht, gefüllt mit Wachs, Paraffin oder Stearin. Viele Leute denken, dass der Docht selbst brennt, aber das ist nicht so. Es ist die Substanz um den Docht bzw. dessen Dampf, die brennt. Der Docht wird benötigt, damit das durch die Hitze der Flamme geschmolzene Wachs (Paraffin, Stearin) durch seine Kapillaren in die Verbrennungszone aufsteigt. Um dies zu testen, können Sie ein kleines Experiment durchführen. Blasen Sie die Kerze aus und bringen Sie das brennende Streichholz sofort zwei bis drei Zentimeter über den Docht, wo der Wachsdampf aufsteigt. Das Streichholz entzündet sie, woraufhin das Feuer auf den Docht fällt und die Kerze wieder entzündet wird. Es handelt sich also um eine brennbare Substanz. Außerdem ist ausreichend Sauerstoff in der Luft. Wie sieht es mit der Entfernung von Verbrennungsprodukten aus? Damit gibt es auf der Erde keine Probleme. Die durch die Hitze einer Kerzenflamme erhitzte Luft wird weniger dicht als die sie umgebende kalte Luft und steigt zusammen mit den Verbrennungsprodukten nach oben (sie bilden eine Flammenzunge). Wenn die Verbrennungsprodukte Kohlendioxid CO2 und Wasserdampf in der Reaktionszone verbleiben, kommt die Verbrennung schnell zum Stillstand. Dies lässt sich leicht überprüfen: Stellen Sie eine brennende Kerze in ein hohes Glas – sie erlischt. Lassen Sie uns nun darüber nachdenken, was mit der Kerze passieren wird Raumstation, wo sich alle Objekte in einem Zustand der Schwerelosigkeit befinden. Der Unterschied in der Dichte von heißer und kalter Luft wird nicht mehr verursacht natürliche Konvektion, Und durch für kurze Zeit In der Verbrennungszone verbleibt kein Sauerstoff mehr. Es entsteht jedoch ein Überschuss an Kohlenmonoxid (Kohlenmonoxid) CO. Die Kerze brennt jedoch noch einige Minuten und die Flamme nimmt die Form einer Kugel an, die den Docht umgibt. Ebenso interessant ist es zu wissen, welche Farbe die Kerzenflamme auf der Raumstation haben wird. Am Boden dominiert ein Gelbstich, der durch das Leuchten heißer Rußpartikel entsteht. Typischerweise brennt das Feuer bei einer Temperatur von 1227–1721 °C. In der Schwerelosigkeit wurde festgestellt, dass mit der Erschöpfung des brennbaren Stoffes die „kalte“ Verbrennung bei einer Temperatur von 227-527 °C beginnt. Unter diesen Bedingungen setzt das Gemisch gesättigter Kohlenwasserstoffe im Wachs Wasserstoff H2 frei, der der Flamme einen bläulichen Farbton verleiht. Hat jemand im Weltraum echte Kerzen angezündet? Es stellt sich heraus, dass sie es angezündet haben – im Orbit. Dies geschah erstmals 1992 im Experimentalmodul des Space Shuttles, dann in Raumschiff NASA Columbia, 1996 wurde das Experiment auf der Mir-Station wiederholt. Natürlich wurde diese Arbeit nicht aus reiner Neugier durchgeführt, sondern um zu verstehen, welche Folgen ein Brand an Bord der Station haben könnte und wie man damit umgeht. Von Oktober 2008 bis Mai 2012 wurden ähnliche Experimente im Rahmen eines NASA-Projekts auf der Internationalen Raumstation durchgeführt. Diesmal untersuchten die Astronauten brennbare Stoffe in einer isolierten Kammer unterschiedliche Drücke und unterschiedlichem Sauerstoffgehalt. Dann wurde eine „kalte“ Verbrennung etabliert niedrige Temperaturen. Erinnern wir uns daran, dass Verbrennungsprodukte auf der Erde in der Regel Kohlendioxid und Wasserdampf sind. In der Schwerelosigkeit, unter Verbrennungsbedingungen bei niedrigen Temperaturen, werden vor allem hochgiftige Stoffe freigesetzt Kohlenmonoxid und Formaldehyd. Forscher untersuchen weiterhin die Verbrennung in der Schwerelosigkeit. Vielleicht bilden die Ergebnisse dieser Experimente die Grundlage für die Entwicklung neuer Technologien, denn fast alles, was für den Weltraum gemacht wird, findet nach einiger Zeit auch auf der Erde Anwendung.

Feuer in der Schwerelosigkeit, 12. September 2015

Links brennt eine Kerze auf der Erde und rechts in Schwerelosigkeit.

Hier sind die Details...

Ein an Bord der Internationalen Raumstation durchgeführtes Experiment brachte unerwartete Ergebnisse – eine offene Flamme verhielt sich völlig anders als von Wissenschaftlern erwartet.

Wie manche Wissenschaftler gerne sagen, ist Feuer das älteste und erfolgreichste chemisches Experiment Menschheit. Tatsächlich begleitete das Feuer die Menschheit schon immer: von den ersten Feuern, auf denen Fleisch gebraten wurde, bis zur Flamme des Raketentriebwerks, das den Menschen zum Mond brachte. Von im Großen und Ganzen Feuer ist ein Symbol und Instrument des Fortschritts unserer Zivilisation.

Dr. Forman A. Williams, Professor für Physik an der University of California in San Diego, beschäftigt sich seit langem mit der Erforschung von Flammen. Normalerweise ist es Feuer ein sehr komplexer Prozess Tausende von miteinander verbundenen chemische Reaktionen. In einer Kerzenflamme beispielsweise verdampfen Kohlenwasserstoffmoleküle aus dem Docht, werden durch Hitze zersetzt und verbinden sich mit Sauerstoff, um Licht, Wärme, CO2 und Wasser zu erzeugen. Einige der Kohlenwasserstofffragmente in Form ringförmiger Moleküle, sogenannter polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe, bilden Ruß, der ebenfalls verbrennen oder in Rauch übergehen kann. Die bekannte Tropfenform einer Kerzenflamme entsteht durch Schwerkraft und Konvektion: heiße Luft steigt auf und zieht frisch in die Flamme kalte Luft, wodurch sich die Flamme nach oben ausdehnt.

Doch es stellt sich heraus, dass in der Schwerelosigkeit alles anders abläuft. In einem Experiment namens FLEX untersuchten Wissenschaftler das Feuer an Bord der ISS, um Technologien zum Löschen von Bränden in der Schwerelosigkeit zu entwickeln. Die Forscher entzündeten in einer speziellen Kammer kleine Heptanbläschen und beobachteten, wie sich die Flamme verhielt.

Wissenschaftler sind darauf gestoßen seltsames Phänomen. Unter Schwerelosigkeitsbedingungen brennt die Flamme anders; sie bildet kleine Kugeln. Dieses Phänomen war zu erwarten, da im Gegensatz zu Flammen auf der Erde in der Schwerelosigkeit Sauerstoff und Brennstoff vorhanden sind dünne Schicht auf der Oberfläche der Kugel, Dies einfache Schaltung, was sich vom irdischen Feuer unterscheidet. Allerdings wurde etwas Seltsames entdeckt: Wissenschaftler beobachteten das anhaltende Brennen von Feuerbällen, selbst nachdem das Brennen nach allen Berechnungen hätte aufhören sollen. Gleichzeitig ging das Feuer in den sogenannten kalte Phase– es brannte sehr schwach, so stark, dass man die Flamme nicht sehen konnte. Es handelte sich jedoch um ein Feuer, und die Flamme konnte sofort ausbrechen große Stärke in Kontakt mit Kraftstoff und Sauerstoff.

Typischerweise brennt ein sichtbares Feuer, wenn hohe Temperatur zwischen 1227 und 1727 Grad Celsius. Heptanblasen auf der ISS brannten bei dieser Temperatur ebenfalls hell, aber als der Treibstoff zur Neige ging und abkühlte, begann eine völlig andere Verbrennung – kalt. Es findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 227-527 Grad Celsius statt und erzeugt nicht Ruß, CO2 und Wasser, sondern das giftigere Kohlenmonoxid und Formaldehyd.

Ähnliche Arten kalter Flammen wurden in Laboratorien auf der Erde reproduziert, aber unter Gravitationsbedingungen ist ein solches Feuer selbst instabil und erlischt immer schnell. Auf der ISS kann eine kalte Flamme jedoch mehrere Minuten lang ununterbrochen brennen. Dies ist keine sehr erfreuliche Entdeckung, da kaltes Feuer eine erhöhte Gefahr darstellt: Es entzündet sich leichter, auch spontan, ist schwieriger zu erkennen und setzt darüber hinaus mehr giftige Stoffe frei. Andererseits kann die Öffnung gefunden werden praktischer Nutzen Zum Beispiel bei der HCCI-Technologie, bei der der Kraftstoff in Benzinmotoren nicht durch Zündkerzen, sondern durch eine kalte Flamme gezündet wird.

Viele physikalische Prozesse laufen anders ab als auf der Erde, und auch die Verbrennung bildet da keine Ausnahme. Eine Flamme verhält sich in der Schwerelosigkeit völlig anders und nimmt eine Kugelform an. Das Foto zeigt die Verbrennung eines Ethylentröpfchens in Luft unter Schwerelosigkeitsbedingungen. Dieses Foto wurde während eines Experiments zur Untersuchung der Verbrennungsphysik in einem speziellen 30-Meter-Turm (2,2-Sekunden-Fallturm) am Glenn Research Center aufgenommen, der geschaffen wurde, um die Bedingungen der Mikrogravitation während des freien Falls zu reproduzieren. Viele Experimente, die später an Raumfahrzeugen durchgeführt wurden, wurden in diesem Turm vorab getestet, weshalb er als „Tor zum Weltraum“ bezeichnet wird.

Die Kugelform der Flamme erklärt sich aus der Tatsache, dass es in der Schwerelosigkeit zu keiner Aufwärtsbewegung der Luft und zu keiner Konvektion ihrer warmen und kalten Schichten kommt, die auf der Erde die Flamme in die Form eines Tropfens „zieht“. Der Flammenzufluss reicht nicht aus, um zu brennen frische Luft, enthält Sauerstoff und fällt kleiner und nicht so heiß aus. Die uns auf der Erde vertraute gelb-orange Farbe der Flamme entsteht durch das Leuchten von Rußpartikeln, die mit einem heißen Luftstrom nach oben steigen. In der Schwerelosigkeit nimmt die Flamme eine blaue Farbe an, da sich wenig Ruß bildet (dafür ist eine Temperatur von mehr als 1000 °C erforderlich) und der vorhandene Ruß aufgrund der niedrigeren Temperatur nur im Infrarotbereich leuchtet. Auf dem oberen Foto ist noch eine gelb-orange Farbe in der Flamme zu sehen, da das frühe Stadium der Zündung erfasst wurde, in dem noch genügend Sauerstoff vorhanden ist.

Verbrennungsstudien unter Mikrogravitationsbedingungen sind besonders wichtig, um die Sicherheit von Raumfahrzeugen zu gewährleisten. In einem speziellen Raum an Bord der ISS werden seit mehreren Jahren Brandbekämpfungsexperimente (FLEX) durchgeführt. Die Forscher zünden kleine Kraftstofftröpfchen (wie Heptan und Methanol) in einer kontrollierten Atmosphäre. Eine kleine Brennstoffkugel brennt etwa 20 Sekunden lang, umgeben von einer Feuerkugel mit einem Durchmesser von 2,5–4 mm. Danach nimmt der Tropfen ab, bis entweder die Flamme erlischt oder der Brennstoff ausgeht. Das unerwartetste Ergebnis war, dass ein Tropfen Heptan nach sichtbarer Verbrennung in die sogenannte „Kaltphase“ eintrat – die Flamme wurde so schwach, dass sie nicht mehr sichtbar war. Und doch handelte es sich um eine Verbrennung: Bei der Wechselwirkung mit Sauerstoff oder Brennstoff konnte Feuer sofort aufflammen.

Wie die Forscher erklären, wann normale Verbrennung die Flammentemperatur schwankt zwischen 1227°C und 1727°C – bei dieser Temperatur kam es im Experiment zu sichtbarem Feuer. Als der Brennstoff verbrannte, begann eine „Kaltverbrennung“: Die Flamme kühlte auf 227–527 °C ab und erzeugte nicht Ruß, Kohlendioxid und Wasser, sondern giftigere Stoffe – Formaldehyd und Kohlenmonoxid. Beim FLEX-Experiment wurde auch die am wenigsten entflammbare Atmosphäre ausgewählt Kohlendioxid und Helium, das dazu beitragen wird, das Risiko von Raumfahrzeugbränden in Zukunft zu verringern.

Zu Verbrennung und Flamme auf der Erde und in der Schwerelosigkeit siehe auch:
Konstantin Bogdanov „Wo ist der Hund begraben?“ - „5. Was ist Feuer? .

Janash Bannikov

Im Weltraum wurde ein ungewöhnliches Experiment durchgeführt. Der japanische Astronaut Takao Doi,

An Bord des amerikanischen Moduls der ISS befand sich ein gewöhnlicher Bumerang.

Experten wollten sehen, wie sich dieses Objekt verhält, wenn es in der Schwerelosigkeit geworfen wird.

Zur Überraschung vieler, darunter auch des Bumerang-Weltmeisters Yasuhiro Togai, ist der Bumerang zurück!

Ein weiteres Experiment in der Schwerelosigkeit

Albert Einstein dachte lange vor Raumflügen über eine seltsame Frage nach: Wird eine Kerze in der Kabine eines Raumschiffs brennen? Einstein glaubte: „Nein“, da heiße Gase aufgrund der Schwerelosigkeit nicht aus der Flammenzone entweichen können. Dadurch wird der Sauerstoffzugang zum Docht blockiert und die Flamme erlischt.

Moderne Experimentatoren beschlossen, Einsteins Aussage experimentell zu überprüfen. Das folgende Experiment wurde in einem der Labore durchgeführt. Eine brennende Kerze in einem geschlossenen Raum Einmachglas, fiel aus einer Höhe von etwa 70 m. Das fallende Objekt befand sich in einem Zustand der Schwerelosigkeit, wenn der Luftwiderstand nicht berücksichtigt wird. Die Kerze erlosch jedoch nicht, lediglich die Form der Flamme veränderte sich, sie wurde kugeliger und das Licht, das sie ausstrahlte, wurde weniger hell.

Die in der Schwerelosigkeit ablaufende Verbrennung erklärten die Experimentatoren durch Diffusion, wodurch weiterhin Sauerstoff aus dem umgebenden Raum in die Flammenzone gelangte. Schließlich hängt der Diffusionsprozess nicht von der Wirkung von Gravitationskräften ab.

Allerdings sind die Verbrennungsbedingungen in der Schwerelosigkeit anders als auf der Erde. Diesem Umstand mussten sowjetische Designer Rechnung tragen, die etwas Besonderes schufen Schweißvorrichtung zum Schweißen unter Schwerelosigkeitsbedingungen.

Dieses Gerät wurde 1969 auf dem sowjetischen Raumschiff Sojus-8 getestet und funktionierte erfolgreich.

Wissen Sie?

Erste Knöpfe

Wie hat man früher Kleidung befestigt?
Dazu verwendeten sie Manschettenknöpfe und häufiger Schnürsenkel und Bänder.

Dann erschienen Knöpfe, und oft wurden sie viel mehr angenäht als Schlaufen gemacht. Tatsache ist, dass Knöpfe ursprünglich nur für reiche Leute gedacht waren, nicht nur zum Verschließen, sondern häufiger auch zum Verzieren von Kleidung. Knöpfe wurden daraus hergestellt Edelsteine und teure Metalle.

Je edler und reicher ein Mensch war, desto mehr Knöpfe hatte seine Kleidung. Viele Menschen waren damals gegen die neuen Verbindungselemente, weil sie sie für einen unerschwinglichen Luxus hielten. Oftmals war dies tatsächlich der Fall. So befahl der König von Frankreich, Franz I., sein schwarzes Samthemd mit 13.600 Goldknöpfen zu schmücken.