Prometheus zou zo trots zijn. Als onderdeel van een NASA-experiment hebben mensen het International Space Station (ISS) in brand gestoken om te zien wat er met vlammen gebeurt in een verdwijnend lage zwaartekracht. Het experiment, Flame Extinguishment-2 (FLEX-2) genaamd, heeft tot doel onze kennis over hoe verschillende vloeibare brandstoffen branden en wat ze produceren te verbeteren, zodat we schonere, efficiëntere verbrandingsmotoren kunnen maken.
gerelateerde inhoud
- Hoe ontbranden raketten hun motoren in de ruimte zonder zuurstof en meer vragen van onze lezers
- In de ruimte gedragen vlammen zich op manieren die niemand voor mogelijk hield
FLEX-2 is in 2009 op het ruimtestation geïnstalleerd en profiteert van de unieke omstandigheden in de ruimte om het onderzoek naar verbranding te vereenvoudigen. Bij microzwaartekracht kan vloeibare brandstof vrijwel perfect ronde druppeltjes vormen. Wanneer deze bollen ontbranden, brandt de vlam in een bal, waardoor wetenschappers schonere geometrie krijgen voor lopende modellen en berekeningen.
Het bereiken van dit niveau van eenvoud was echter geen sinecure, zegt C. Thomas Avedisian aan de Cornell University, die mede-onderzoeker is in het FLEX-2-team. "Ik zou beweren dat dit de moeilijkste verbrandingsconfiguratie is om voor vloeibare brandstof te maken", zegt hij. "Dit experiment duurde tientallen jaren om te perfectioneren, teruggaand tot het midden van de jaren 80."
Bij de laatste testrun, te zien in de video hierboven, is de FLEX-2-kamer - ongeveer zo groot als een broodtrommel aan de binnenkant - gevuld met een mengsel van zuurstof en stikstof onder druk, ontworpen om de lucht aan het aardoppervlak te simuleren. Naalden geven een druppel van 3 millimeter af die half isooctaan en half heptaan is. Dit chemisch brouwsel dient als een eenvoudiger vervanger voor benzine, zegt Avedisian. De twee vloeistoffen branden over het algemeen op dezelfde manier, maar benzine kan zoveel verschillende verbindingen bevatten dat het gedrag moeilijker te modelleren is.
Twee draadlussen geleiden stroom om de druppel te verwarmen totdat deze ontsteekt, waardoor een gloeiende bal van blauwe vlam vonk die rond 2000 Kelvin brandt. Laat u niet misleiden - de brandende bol wordt niet plotseling naar een sterrenhemel getransporteerd. De kamerlichten gaan uit om de vlam beter zichtbaar te maken, maar dat maakt ook vlekken op de afbeeldingen, veroorzaakt door kleine onvolkomenheden in de videosensoren, duidelijker. De bal van vlam begint dan te oscilleren terwijl de verbranding sterft, waardoor het lijkt alsof hij door de kamer pulseert als een kwal die zwemt. Uiteindelijk straalt de bal zoveel warmte weg dat de gloeiend hete vlam wordt uitgedreven.
Avedisian en zijn team hebben verschillende tests zoals deze uitgevoerd, waarbij de brandstofsoorten en druppelgroottes worden gemengd om te controleren op verschillende effecten. Ze kunnen de initiële installatie in realtime besturen via een videofeed die naar het laboratorium in Cornell wordt gerouteerd en vervolgens kijken hoe de geautomatiseerde test verloopt. Het labteam voert ook soortgelijke experimenten op de grond uit, waarbij wordt gekeken naar druppeltjes die dichter in de buurt komen van de variëteit op microschaal die ontstaat wanneer brandstof in een motor wordt geïnjecteerd. Om de lage zwaartekracht op aarde te simuleren, laat het Cornell-team hun druppels vallen - ze sturen de brandende bollen door een vrije val van 25 voet en filmen ze op weg naar beneden.
De druppeltjes gevormd in de ruimte-experimenten laten het team de verbrandingsfysica op grotere schaal zien en vergelijken de resultaten met de tests op aarde. Een ietwat raadselachtige ontdekking is dat de pulsen in kwallenstijl alleen optreden als de druppel groot genoeg is - ongeveer 3 millimeter of groter - en ze gebeuren niet altijd. "De vlamtrillingen worden echt niet goed begrepen", zegt Avedisian.
Uiteindelijk kan het bestuderen van de zwevende vuurballen wijzen op manieren om brandstoffen schoner te laten branden. "Wat we denken is dat er een verbrandingszone is bij lage temperatuur of" koele vlam "- de druppel brandt nog steeds, ook al kunnen we de vlam niet zien, " zegt Avedisian. In deze zone brandt het vuur slechts bij ongeveer 600 tot 800 Kelvin.
"Motorfabrikanten hebben manieren onderzocht om vervuiling te verminderen die het gebruik van chemie met koele vlammen inhoudt, en die chemie wordt niet zo goed begrepen als chemie met hete vlammen", voegt FLEX-2 hoofdonderzoeker Forman A. Williams aan de Universiteit van Californië toe, San Diego. "Door de koele vlammen te bestuderen die we in de ISS-experimenten hebben gevonden, kunnen we misschien een beter inzicht krijgen in die chemie, wat vervolgens de motorfabrikanten zou kunnen helpen bij hun ontwerpen."
