Api di gravitasi nol terbakar dengan cara yang sangat berbeda dibandingkan di bumi - para ilmuwan telah menemukan fenomena aneh. Bagaimana api bisa menyala dalam kondisi gravitasi nol? Apakah lilin menyala dalam kondisi gravitasi nol?

Eksperimen FLEX, yang dilakukan di Stasiun Luar Angkasa Internasional, memberikan hasil yang tidak terduga - nyala api terbuka berperilaku sangat berbeda dari yang diperkirakan para ilmuwan.

Seperti yang dikatakan beberapa ilmuwan, api adalah cara tertua dan paling sukses percobaan kimia kemanusiaan. Memang benar, api selalu menyertai umat manusia: dari api pertama yang membakar daging, hingga nyala api mesin roket yang membawa manusia ke bulan. Oleh umumnya, api adalah simbol dan instrumen kemajuan peradaban kita.

Perbedaan nyala api di Bumi (kiri) dan di gravitasi nol (kanan) terlihat jelas. Dengan satu atau lain cara, umat manusia harus menguasai api lagi - kali ini di luar angkasa.

Forman A. Williams, seorang profesor fisika di Universitas California, San Diego, telah lama meneliti studi api. Biasanya api sebuah proses yang sangat kompleks ribuan reaksi kimia yang saling berhubungan. Misalnya, dalam nyala lilin, molekul hidrokarbon menguap dari sumbu, terurai oleh panas, dan bergabung dengan oksigen menghasilkan cahaya, panas, CO2, dan air. Beberapa fragmen hidrokarbon berupa molekul berbentuk cincin yang disebut hidrokarbon aromatik polisiklik membentuk jelaga yang juga dapat terbakar atau berubah menjadi asap. Bentuk nyala lilin yang mirip tetesan air mata diberikan oleh gravitasi dan konveksi: udara panas bangkit dan menarik segar ke dalam nyala api udara dingin, karena itu nyala api membentang ke atas.

Namun ternyata dalam keadaan tanpa bobot semuanya terjadi secara berbeda. Dalam percobaan yang disebut FLEX, para ilmuwan mempelajari api di ISS untuk mengembangkan teknologi pemadaman api dalam kondisi gravitasi nol. Para peneliti menyalakan gelembung kecil heptana di dalam ruangan khusus dan mengamati bagaimana perilaku nyala api.

Para ilmuwan telah menemukannya fenomena aneh. Dalam kondisi gayaberat mikro, nyala api menyala secara berbeda, membentuk bola-bola kecil. Fenomena ini diperkirakan terjadi karena, tidak seperti api di Bumi, oksigen dan bahan bakar ditemukan di bumi tanpa bobot lapisan tipis di permukaan bola, Ini rangkaian sederhana, yang berbeda dengan api duniawi. Namun, hal aneh ditemukan: para ilmuwan mengamati bola api terus menyala bahkan setelah, menurut semua perhitungan, pembakaran seharusnya berhenti. Pada saat yang sama, api masuk ke dalam apa yang disebut fase dingin– pembakarannya sangat lemah, sedemikian rupa sehingga nyala apinya tidak terlihat. Namun, itu adalah api, dan apinya bisa langsung meletus kekuatan yang besar bersentuhan dengan bahan bakar dan oksigen.

Biasanya api yang terlihat menyala ketika suhu tinggi antara 1227 dan 1727 derajat Celcius. Gelembung heptana di ISS juga menyala terang pada suhu ini, tetapi saat bahan bakar habis dan mendingin, pembakaran yang sama sekali berbeda dimulai - dingin. Ini terjadi pada suhu yang relatif rendah yaitu 227-527 derajat Celcius dan tidak menghasilkan jelaga, CO2 dan air, tetapi karbon monoksida dan formaldehida yang lebih beracun.

Jenis api dingin serupa telah direproduksi di laboratorium di Bumi, namun dalam kondisi gravitasi, api tersebut tidak stabil dan selalu cepat padam. Namun di ISS, nyala api dingin dapat menyala terus-menerus selama beberapa menit. Ini bukanlah penemuan yang menyenangkan, karena api dingin menimbulkan bahaya yang meningkat: api lebih mudah terbakar, termasuk secara spontan, lebih sulit dideteksi dan, terlebih lagi, melepaskan lebih banyak zat beracun. Di sisi lain, pembukaan mungkin ditemukan penggunaan praktis, misalnya, dalam teknologi HCCI, yang melibatkan penyalaan bahan bakar pada mesin bensin bukan dari busi, melainkan dari nyala api dingin.

Kebakaran di gravitasi nol 12 September 2015

Di sebelah kiri adalah lilin yang menyala di Bumi, dan di sebelah kanan dalam keadaan tanpa bobot.

Berikut detailnya...

Eksperimen yang dilakukan di kapal Internasional Stasiun ruang angkasa, memberikan hasil yang tidak terduga - nyala api terbuka berperilaku sangat berbeda dari perkiraan para ilmuwan.

Seperti yang dikatakan beberapa ilmuwan, api adalah eksperimen kimia tertua dan tersukses yang dilakukan umat manusia. Memang benar, api selalu menyertai umat manusia: dari api pertama yang membakar daging, hingga nyala api mesin roket yang membawa manusia ke bulan. Secara umum, api merupakan simbol dan instrumen kemajuan peradaban kita.

Forman A. Williams, seorang profesor fisika di Universitas California, San Diego, telah lama meneliti studi api. Biasanya, kebakaran adalah proses kompleks dari ribuan reaksi kimia yang saling berhubungan. Misalnya, dalam nyala lilin, molekul hidrokarbon menguap dari sumbu, terurai oleh panas, dan bergabung dengan oksigen menghasilkan cahaya, panas, CO2, dan air. Beberapa fragmen hidrokarbon berupa molekul berbentuk cincin yang disebut hidrokarbon aromatik polisiklik membentuk jelaga yang juga dapat terbakar atau berubah menjadi asap. Bentuk nyala lilin yang mirip tetesan air mata disebabkan oleh gravitasi dan konveksi: udara panas naik dan menarik udara dingin segar ke dalam nyala api, menyebabkan nyala api meregang ke atas.

Para ilmuwan telah menemukan fenomena aneh. Dalam kondisi gayaberat mikro, nyala api menyala secara berbeda, membentuk bola-bola kecil. Fenomena ini diperkirakan terjadi karena, tidak seperti api di Bumi, dalam keadaan tanpa bobot, oksigen dan bahan bakar terdapat dalam lapisan tipis di permukaan bola. Ini adalah pola sederhana yang berbeda dengan api di Bumi. Namun, hal aneh ditemukan: para ilmuwan mengamati bola api terus menyala bahkan setelah, menurut semua perhitungan, pembakaran seharusnya berhenti. Pada saat yang sama, api memasuki fase dingin - api menyala sangat lemah, sedemikian rupa sehingga nyala api tidak terlihat. Namun, itu adalah pembakaran, dan nyala api bisa langsung menyala dengan kekuatan besar saat bersentuhan dengan bahan bakar dan oksigen.

Biasanya api terlihat menyala pada suhu tinggi antara 1227 dan 1727 derajat Celcius. Gelembung heptana di ISS juga menyala terang pada suhu ini, tetapi saat bahan bakar habis dan mendingin, pembakaran yang sama sekali berbeda dimulai - dingin. Ini terjadi pada suhu yang relatif rendah yaitu 227-527 derajat Celcius dan tidak menghasilkan jelaga, CO2 dan air, tetapi karbon monoksida dan formaldehida yang lebih beracun.

Jenis api dingin serupa telah direproduksi di laboratorium di Bumi, namun dalam kondisi gravitasi, api tersebut tidak stabil dan selalu cepat padam. Namun di ISS, nyala api dingin dapat menyala terus-menerus selama beberapa menit. Ini bukanlah penemuan yang menyenangkan, karena api dingin menimbulkan bahaya yang meningkat: api lebih mudah terbakar, termasuk secara spontan, lebih sulit dideteksi dan, terlebih lagi, melepaskan lebih banyak zat beracun. Di sisi lain, penemuan ini mungkin dapat diterapkan secara praktis, misalnya, dalam teknologi HCCI, yang melibatkan penyalaan bahan bakar di mesin bensin bukan dari lilin, tetapi dari nyala api dingin.

Banyak proses fisik yang berlangsung secara berbeda dibandingkan di Bumi, termasuk pembakaran. Nyala api berperilaku sangat berbeda dalam gravitasi nol, berbentuk bola. Foto menunjukkan pembakaran tetesan etilen di udara dalam kondisi gayaberat mikro. Foto ini diambil selama percobaan untuk mempelajari fisika pembakaran di menara khusus setinggi 30 meter (2.2-Second Drop Tower) di Glenn Research Center, yang dibuat untuk mereproduksi kondisi gayaberat mikro selama jatuh bebas. Banyak eksperimen yang kemudian dilakukan pada pesawat ruang angkasa menjalani pengujian pendahuluan di menara ini, itulah sebabnya menara ini disebut “pintu gerbang ke luar angkasa”.

Bentuk nyala api yang bulat dijelaskan oleh fakta bahwa dalam kondisi tanpa bobot tidak ada pergerakan udara ke atas dan tidak terjadi konveksi lapisan hangat dan dinginnya, yang di Bumi “menarik” nyala api ke dalam bentuk tetesan. Aliran api yang masuk tidak cukup untuk membakar udara segar, mengandung oksigen, dan ternyata lebih kecil dan tidak terlalu panas. Warna nyala api kuning-oranye yang kita kenal di Bumi disebabkan oleh pancaran partikel jelaga yang naik ke atas bersama aliran udara panas. Dalam kondisi gravitasi nol, nyala api memperoleh warna biru, karena sedikit jelaga yang terbentuk (ini memerlukan suhu lebih dari 1000 ° C), dan jelaga yang ada hanya akan bersinar dalam kisaran inframerah karena suhu yang lebih rendah. Pada foto atas masih terlihat warna nyala api kuning-oranye, sejak ditangkap tahap awal penyalaan, saat oksigen masih cukup.

Studi pembakaran dalam kondisi gayaberat mikro sangat penting untuk menjamin keselamatan pesawat ruang angkasa. Eksperimen pemadaman kebakaran (FLEX) telah dilakukan selama beberapa tahun di kompartemen khusus di ISS. Para peneliti menyalakan tetesan kecil bahan bakar (seperti heptana dan metanol) di atmosfer yang terkendali. Sebuah bola kecil bahan bakar terbakar selama kurang lebih 20 detik, dikelilingi oleh bola api berdiameter 2,5–4 mm, setelah itu tetesannya mengecil hingga api padam atau bahan bakar habis. Hasil yang paling tidak terduga adalah setetes heptana, setelah pembakaran yang terlihat, memasuki apa yang disebut “fase dingin” - nyala api menjadi sangat lemah sehingga tidak terlihat. Namun itu adalah pembakaran: api bisa langsung berkobar ketika berinteraksi dengan oksigen atau bahan bakar.

Seperti yang dijelaskan peneliti, kapan pembakaran biasa suhu nyala api berfluktuasi antara 1227°C dan 1727°C - pada suhu ini dalam percobaan terlihat api. Saat bahan bakar terbakar, "pembakaran dingin" dimulai: nyala api mendingin hingga 227–527 °C dan tidak menghasilkan jelaga, karbon dioksida, dan air, tetapi bahan yang lebih beracun - formaldehida dan karbon monoksida. Selama percobaan FLEX, atmosfer yang paling tidak mudah terbakar juga dipilih berdasarkan karbon dioksida dan helium, yang akan membantu mengurangi risiko kebakaran pesawat ruang angkasa di masa depan.

Untuk pembakaran dan nyala api di Bumi dan dalam gravitasi nol, lihat juga:
Konstantin Bogdanov “Di mana anjing itu dikuburkan?” - "5. Apa itu api? .

Janash Bannikov

Banyak dari mereka yang menonton film kultus Amerika " Perang Bintang", mereka masih ingat rekaman mengesankan dengan ledakan, lidah api, puing-puing terbakar yang beterbangan ke segala arah... Mungkinkah pemandangan mengerikan seperti itu terulang di ruang nyata? Di ruang yang benar-benar tanpa udara? Untuk menjawab pertanyaan ini, pertama-tama mari kita coba mencari tahu bagaimana lilin biasa akan menyala di stasiun luar angkasa.

Apa itu pembakaran? Ini reaksi kimia oksidasi dengan pelepasan jumlah besar panas dan pembentukan produk pembakaran panas. Proses pembakaran hanya dapat terjadi dengan adanya zat yang mudah terbakar, oksigen, dan dengan syarat produk oksidasi dikeluarkan dari zona pembakaran.

Mari kita lihat cara kerja lilin dan apa sebenarnya yang terbakar di dalamnya. Lilin adalah sumbu yang dipilin dari benang katun, diisi dengan lilin, parafin atau stearin. Banyak orang mengira sumbu itu sendiri yang terbakar, padahal tidak demikian. Zat di sekitar sumbu, atau lebih tepatnya uapnya,lah yang terbakar. Sumbu diperlukan agar lilin (parafin, stearin) yang meleleh akibat panas api naik melalui kapilernya menuju zona pembakaran.

Untuk mengujinya, Anda dapat melakukan percobaan kecil-kecilan. Tiup lilinnya dan segera dekatkan korek api yang menyala ke titik dua atau tiga sentimeter di atas sumbu, tempat uap lilin naik. Mereka akan menyala dari korek api, setelah itu api akan jatuh ke sumbu dan lilin akan menyala kembali (untuk lebih jelasnya lihat).

Jadi, ada bahan yang mudah terbakar. Oksigen di udara juga cukup. Bagaimana dengan pembuangan produk pembakaran? Tidak ada masalah dengan hal ini di bumi. Udara yang dipanaskan oleh panas nyala lilin menjadi kurang padat dibandingkan udara dingin di sekitarnya dan naik ke atas bersama hasil pembakaran (membentuk lidah api). Jika hasil pembakaran berupa karbon dioksida CO 2 dan uap air tetap berada di zona reaksi, maka pembakaran akan cepat berhenti. Sangat mudah untuk memverifikasi ini: letakkan lilin yang menyala di gelas tinggi - lilin itu akan padam.

Sekarang mari kita pikirkan apa yang akan terjadi pada lilin di stasiun luar angkasa, di mana semua benda berada dalam keadaan tanpa bobot. Perbedaan kepadatan udara panas dan dingin tidak lagi menimbulkan masalah konveksi alami, dan melalui untuk waktu yang singkat tidak akan ada oksigen yang tersisa di zona pembakaran. Tetapi karbon monoksida (karbon monoksida) CO berlebih terbentuk. Namun, selama beberapa menit lagi lilin akan menyala, dan nyala api akan berbentuk bola yang mengelilingi sumbu.

Menariknya lagi untuk mengetahui warna nyala lilin di stasiun luar angkasa. Di permukaan tanah didominasi oleh warna kuning yang disebabkan oleh pancaran partikel jelaga panas. Biasanya, api menyala pada suhu 1227-1721 o C. Dalam keadaan tanpa bobot, diketahui bahwa ketika zat yang mudah terbakar habis, pembakaran “dingin” dimulai pada suhu 227-527 o C. Dalam kondisi ini, campuran hidrokarbon jenuh dalam lilin melepaskan hidrogen H2, yang memberi warna kebiruan pada nyala api.

Adakah yang pernah menyalakan lilin asli di luar angkasa? Ternyata mereka menyalakannya - di orbit. Ini pertama kali dilakukan pada tahun 1992 di modul eksperimental Pesawat Ulang-alik, kemudian di pesawat ruang angkasa NASA Columbia, pada tahun 1996, percobaan diulangi di stasiun Mir. Tentu saja, pekerjaan ini dilakukan bukan hanya karena rasa ingin tahu, tetapi untuk memahami apa akibat yang dapat ditimbulkan oleh kebakaran di stasiun dan bagaimana cara mengatasinya.

Dari Oktober 2008 hingga Mei 2012, eksperimen serupa dilakukan di bawah proyek NASA di Stasiun Luar Angkasa Internasional. Kali ini para astronot memeriksa zat yang mudah terbakar di ruang terisolasi di tekanan yang berbeda dan kandungan oksigen yang berbeda. Kemudian pembakaran “dingin” terjadi pada suhu rendah.

Ingatlah bahwa produk pembakaran di bumi biasanya berupa karbon dioksida dan uap air. Dalam keadaan tanpa bobot, dalam kondisi pembakaran pada suhu rendah, sebagian besar zat yang sangat beracun dilepaskan karbon monoksida dan formaldehida.

Para peneliti terus mempelajari pembakaran dalam kondisi gravitasi nol. Mungkin hasil eksperimen ini akan menjadi dasar pengembangan teknologi baru, karena hampir semua yang dilakukan di luar angkasa, setelah beberapa waktu, dapat diterapkan di bumi.

Kini kita memahami bahwa sutradara George Lucas yang menyutradarai Star Wars masih melakukan kesalahan besar dalam menggambarkan ledakan apokaliptik sebuah stasiun luar angkasa. Faktanya, stasiun yang meledak akan tampak sebagai kilatan cahaya yang pendek dan terang. Setelah itu, bola besar berwarna kebiruan akan tetap ada, yang akan keluar dengan sangat cepat. Dan jika tiba-tiba ada sesuatu yang benar-benar menyala di stasiun, Anda harus segera mematikan sirkulasi udara buatan secara otomatis. Dan kemudian kebakaran tidak akan terjadi.

Lilin- buram, berminyak saat disentuh, massa padat yang meleleh saat dipanaskan. Terdiri dari ester asam lemak yang berasal dari tumbuhan dan hewan.

Parafin- campuran lilin dari hidrokarbon jenuh.

stearin- campuran lilin asam stearat dan palmitat dengan campuran asam lemak jenuh dan tak jenuh lainnya.

Konveksi alami- proses perpindahan panas yang disebabkan oleh sirkulasi massa udara ketika pemanasannya tidak merata dalam medan gravitasi. Ketika lapisan bawah memanas, mereka menjadi lebih ringan dan naik, sedangkan lapisan atas, sebaliknya, mendingin, menjadi lebih berat dan tenggelam, setelah itu proses tersebut diulangi lagi dan lagi.

Mengapa pembakaran terjadi? Saat dipanaskan bahan organik di atas nilai ambang batas tertentu - suhu penyalaan - reaksi aktifnya dengan oksigen atmosfer dimulai.

Komposisi atom utama pada zat organik adalah karbon (C) dan hidrogen (H). Karbon bergabung dengan oksigen membentuk karbon dioksida (CO2), dan hidrogen membentuk air (H20). Reaksi tersebut, pada gilirannya, melepaskan panas, yang memastikan kelanjutannya. Jadi, agar pembakaran pada prinsipnya dapat terjadi, diperlukan dua kondisi:
1) agar suhu penyalaan lebih kecil dari suhu pembakaran
2) menyediakan aliran oksigen yang cukup untuk melanjutkan reaksi.

Mengapa nyala lilin mengarah ke atas? Selama pembakaran, udara yang dipanaskan oleh nyala api mengalir ke atas (ingat fisika? Udara hangat lebih ringan, sehingga naik. Lebih tepatnya, ia digantikan oleh udara yang lebih dingin, dan karena itu lebih berat.) Udara dingin, yang mengandung lebih banyak oksigen, mengalir ke tempat yang dikosongkan. oleh udara hangat. Tentu saja, jika Anda menutup lilin, misalnya, toples kaca, maka lilin akan padam dengan cukup cepat - segera setelah semua oksigen bereaksi. Ngomong-ngomong, satu lagi minat Tanya. Mengapa, meskipun karbon dioksida tidak terlihat, dan uap air hanya terlihat jika jumlahnya banyak, kita dapat melihat nyala lilin dengan jelas? Kita melihat partikel-partikel panas dari materi yang tidak terbakar. Tepatnya yang membentuk jelaga (jelaga). Kita bisa melihatnya jika kita memegang, misalnya, sendok di atas api.

Sekarang, akhirnya, kita kembali ke domba kita. Yaitu pertanyaan apakah lilin akan menyala dalam kondisi tanpa bobot. Tentunya pertanyaan tersebut muncul berdasarkan alasan bahwa karena tidak ada gravitasi, maka udara hangat tidak akan tergantikan oleh udara dingin, dan masalah akan dimulai dengan masuknya oksigen. Namun, di sinilah gerakan termal bisa membantu. Molekul karbon dioksida dan uap air yang dipanaskan bergerak beberapa kali lebih cepat daripada molekul oksigen, yang pada prinsipnya memungkinkan lilin menyala. Jadi, untuk meringkas, kami menyimpulkan. Pada prinsipnya lilin dapat menyala walaupun lemah.

Ngomong-ngomong, Albert Einstein pernah menanyakan pertanyaan ini, dan dia sendiri menjawab negatif. Tidak ada aliran udara, tidak ada pembakaran. Namun pengalaman membuktikan sebaliknya.

http://evolutsia.com/content/view/3057/40/