نيران غريبة في المحطة الفضائية

تجربة أجراها رواد الفضاء في المحطة الفضائية للعلماء الذين أرادوا تعلم كيفية السيطرة على الحرائق. ستسمح العملية التي اكتشفوها ببناء أنظمة تشغيل أكثر كفاءة للمركبة

ومن المعروف أن النار هي أقدم تجربة كيميائية. لآلاف السنين، قام الناس بخلط الهواء الغني بالأكسجين مع مجموعة لا حصر لها من أنواع الوقود وخلقوا لهبًا ساخنًا ومشرقًا لاستخدامات مختلفة - بدءًا من النيران القديمة للبشر البدائيين وحتى المركبات الحديثة التي تسير على الطرق السريعة في القرن الحادي والعشرين.

تعلم المهندسون كيفية الاحتراق لإنتاج محرك الاحتراق الداخلي الفنلندي. درس الكيميائيون النيران بحثًا عن تفاعلات كيميائية غريبة. جرب الطهاة النار لطهي طعام أفضل.

قد تعتقد أنه لا يوجد شيء آخر يمكن تعلمه عن النار، لكن الدكتور فورمان ويليامز، أستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، لا يوافق على ذلك. وقال: "عندما يتعلق الأمر بالنار، فنحن فقط عند نقطة البداية".

من الصعب فهم ما يحدث في النيران لأنها معقدة. عند احتراق شمعة بسيطة، تحدث آلاف التفاعلات الكيميائية. تتبخر جزيئات الهيدروكربون من المصهر وتتحلل بالحرارة. تتحد مع الأكسجين وتنتج الضوء والحرارة وثاني أكسيد الكربون والماء. تشكل بعض شظايا الهيدروكربون جزيئات تشبه الحلقة تسمى الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات وفي النهاية السخام. يمكن لجزيئات السخام نفسها أن تحترق أو تنجرف ببساطة على شكل دخان. يتأثر تكوين الدمعة المألوف للهب بالجاذبية. يرتفع الهواء الدافئ ويترك الهواء البارد خلفه. وتسمى هذه الظاهرة "الطفو" وهي التي تؤدي إلى ارتفاع السخام واهتزازه.

ولكن ماذا يحدث عندما تشعل شمعة، على سبيل المثال، في محطة الفضاء الدولية؟ يقول ويليامز: "في الجاذبية الصغرى، تحترق النيران بطريقة مختلفة قليلاً، فهي تشكل كرات صغيرة".

تميل الكرات النارية الموجودة في المحطة الفضائية إلى أن تكون مختبرات صغيرة ممتازة لدراسات الاحتراق. على عكس ألسنة اللهب على الأرض، والتي تتوسع بجشع لأنها تتطلب المزيد والمزيد من الوقود. تسمح كرات الاحتراق للأكسجين بالوصول إليها. ويتصل الأكسجين والوقود في منطقة ضيقة على سطح الكرة، لا أقرب إليها ثم يمر عبر اللهب. هذا نظام أبسط بكثير.

أجرى ويليامز وزملاؤه مؤخرًا تجربة تُعرف باسم FLEX على محطة الفضاء الدولية لمعرفة كيفية إشعال حريق في الجاذبية الصغرى، وقد رأوا شيئًا غريبًا: بعض قطرات الهيدروكربونات المعروفة باسم الهيبتانات كانت تحترق داخل غرفة الاحتراق في المحطة الفضائية الدولية. منشأة فليكس. كما هو مخطط له، انطفأت النيران، ولكن بشكل غير متوقع، استمرت قطرات الوقود في الاشتعال.

يقول ويليامز: "يبدو أنهم استمروا في الاحتراق دون لهيب". "في البداية لم نصدق ذلك بأنفسنا." في الواقع، يعتقد ويليامز أن النيران كانت موجودة، لكنها كانت باهتة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها. ويوضح قائلاً: "سوف نسميها النيران الباردة".

عادة ما تحترق النار المرئية بأعيننا عند درجات حرارة عالية تتراوح بين 1,500 و2,000 درجة كلفن (درجات كلفن هي نفس الدرجة المئوية، لكنها تبدأ من الصفر المطلق 273.15 تحت الصفر). بدأت كرات لهب الهيبتان الموجودة في المحطة الفضائية في منطقة "النار الساخنة"، ولكن عندما بردت كرات اللهب وبدأت في التلاشي، ظهر نوع جديد من الاحتراق.

يقول ويليامز: "تحترق النيران الباردة عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا تتراوح بين 500 و800 درجة كلفن". "إن كيمياءهم مختلفة تمامًا. تنتج النيران الطبيعية السخام وثاني أكسيد الكربون والماء. النيران الباردة تنتج أول أكسيد الكربون والفورمالدهيد."

من الممكن أن تتولد ألسنة اللهب الباردة على الأرض، لكنها تبدأ في الارتعاش على الفور تقريبًا. وفي المحطة الفضائية، يمكن أن يشتعل اللهب البارد لمدة دقائق طويلة. يقول ويليامز: "هناك آثار عملية لنتائج هذه الدراسة". "على سبيل المثال، يمكن استخدامها لتصميم أنظمة إشعال أنظف للسيارات."

إحدى الأفكار التي طورها مصنعو السيارات منذ سنوات هي "الإشعال بضغط الشحنة المتجانسة" (HCCI - اختصار لعبارة "الإشعال بضغط الشحنة المتجانسة"). فبدلاً من حدوث شرارة في أسطوانة السيارة، سيتم تفعيل عملية احتراق لطيفة وأقل تلويثاً داخل المقصورة".

يقول ويليامز: "تتضمن كيمياء HCCI إشارة إلى كيمياء النيران الباردة". "إن التحكم الإضافي الذي نحصل عليه من الاحتراق المستقر في المحطة الفضائية سيمنحنا قيمًا كيميائية أكثر دقة لهذا النوع من الأبحاث."

والواقع أن هذه العملية قد بدأت للتو.

للحصول على معلومات على موقع ناسا

يستكشف مقطع فيديو جديد لناسا ضمن سلسلة ScienceCast السلوك المفاجئ لـ "اللهب البارد" في محطة الفضاء الدولية.