Kuidas põleb tuli nullgravitatsioonis? Mis on põlemine? See on keemiline oksüdatsioonireaktsioon, mille käigus eraldub suur hulk soojust ja tekivad kuumad põlemissaadused. Põlemisprotsess saab toimuda ainult põleva aine, hapniku juuresolekul ja tingimusel, et oksüdatsiooniproduktid eemaldatakse põlemistsoonist. Vaatame, kuidas küünal töötab ja mis selles täpselt põleb. Küünal on puuvillasest niidist keerutatud taht, mis on täidetud vaha, parafiini või steariiniga. Paljud inimesed arvavad, et taht ise põleb, kuid see pole nii. See on taht ümber olev aine või õigemini selle aur, mis põleb. Taht on vaja selleks, et leegi kuumusest sulanud vaha (parafiin, steariin) tõuseks läbi selle kapillaaride põlemistsooni. Selle testimiseks võite läbi viia väikese katse. Puhuge küünal ja viige põlev tikk kohe kaks-kolm sentimeetrit tahtist kõrgemale punkti, kus vahaaur tõuseb. Tikk süütab need, misjärel langeb tuli tahtile ja küünal süttib uuesti. Seega on tuleohtlik aine. Õhus on ka üsna piisavalt hapnikku. Kuidas on lood põlemisproduktide eemaldamisega? Maa peal sellega probleeme pole. Küünla leegi kuumusest kuumutatud õhk muutub vähem tihedaks kui seda ümbritsev külm õhk ja tõuseb koos põlemisproduktidega ülespoole (need moodustavad leegikeele). Kui põlemissaadused, milleks on süsinikdioksiid CO2 ja veeaur, jäävad reaktsioonitsooni, lakkab põlemine kiiresti. Seda on lihtne kontrollida: asetage põlev küünal kõrgesse klaasi - see kustub. Mõelgem nüüd sellele, mis juhtub küünlaga kosmosejaamas, kus kõik objektid on kaaluta olekus. Kuuma ja külma õhu tiheduse erinevus ei põhjusta enam loomulikku konvektsiooni ning lühikese aja möödudes ei jää põlemistsooni enam hapnikku. Kuid moodustub süsinikmonooksiidi (süsinikmonooksiidi) CO liig. Kuid veel mõni minut põleb küünal ja leek võtab tahti ümbritseva palli kuju. Sama huvitav on teada, mis värvi saab kosmosejaama küünlaleek. Maapinnal domineerib sellel kollane toon, mis on põhjustatud kuumade tahmaosakeste kumast. Tavaliselt põleb tuli temperatuuril 1227-1721oC. Kaaluta olekus märgati, et kui põlev aine ammendub, algab "külm" põlemine temperatuuril 227–527 ° C. Nendes tingimustes eraldub vahas sisalduvast küllastunud süsivesinike segust vesinik H2, mis annab leegile sinaka varjundi. Kas keegi on kosmoses päris küünlaid süüdanud? Selgub, et nad süütasid selle - orbiidil. Seda tehti esmakordselt 1992. aastal Space Shuttle'i katsemoodulis, seejärel NASA kosmoseaparaadis Columbia ning 1996. aastal korrati katset Mir jaamas. Loomulikult ei tehtud seda tööd lihtsast uudishimust, vaid selleks, et mõista, milliseid tagajärgi võib jaama pardal tulekahju põhjustada ja kuidas sellega toime tulla. 2008. aasta oktoobrist 2012. aasta maini viidi sarnaseid katseid NASA projekti raames läbi rahvusvahelises kosmosejaamas. Seekord uurisid astronaudid tuleohtlikke aineid isoleeritud kambris erineva rõhu ja erineva hapnikusisaldusega. Seejärel kehtestati "külm" põlemine madalatel temperatuuridel. Tuletagem meelde, et põlemisproduktid Maal on reeglina süsihappegaas ja veeaur. Kaaluta olekus, põlemistingimustes madalatel temperatuuridel, eralduvad väga mürgised ained, peamiselt süsinikmonooksiid ja formaldehüüd. Teadlased jätkavad põlemise uurimist nullgravitatsioonis. Võib-olla on nende katsete tulemused aluseks uute tehnoloogiate väljatöötamisele, sest peaaegu kõik, mis kosmose jaoks tehakse, leiab mõne aja pärast rakendust ka maa peal.
Tuli nullgravitatsiooniga 12. september 2015
Vasakul on Maal põlev küünal ja paremal on kaaluta olekus.
Siin on üksikasjad...
Rahvusvahelise kosmosejaama pardal tehtud katse andis ootamatuid tulemusi – lahtine leek käitus sootuks teisiti, kui teadlased eeldasid.
Nagu mõned teadlased armastavad öelda, on tuli inimkonna vanim ja edukaim keemiline eksperiment. Tõepoolest, tuli on inimkonnaga alati olnud: alates esimestest tulekahjudest, millel liha praaditi, kuni rakettmootori leegini, mis tõi inimese Kuule. Laias laastus on tuli meie tsivilisatsiooni sümbol ja progressi vahend.
San Diego California ülikooli füüsikaprofessor dr Forman A. Williams on leegi uurimisega pikka aega tegelenud. Tavaliselt on tulekahju keeruline protsess, mis koosneb tuhandetest omavahel seotud keemilistest reaktsioonidest. Näiteks küünlaleegis süsivesinike molekulid aurustuvad tahtist, lagunevad kuumuse toimel ja ühinevad hapnikuga valguse, soojuse, CO2 ja vee saamiseks. Mõned süsivesinike fragmendid rõngakujuliste molekulide kujul, mida nimetatakse polütsüklilisteks aromaatseteks süsivesinikeks, moodustavad tahma, mis võib samuti põleda või muutuda suitsuks. Küünlaleegile tuttava pisarakuju annavad gravitatsioon ja konvektsioon: kuum õhk tõuseb üles ja tõmbab leegi sisse värske külma õhu, pannes leegi ülespoole venima.
Kuid selgub, et nullgravitatsioonis juhtub kõik teisiti. Eksperimendis nimega FLEX uurisid teadlased ISS-i pardal tuld, et töötada välja tehnoloogiad tulekahjude kustutamiseks nullgravitatsiooniga. Teadlased süütasid spetsiaalses kambris väikesed heptaanimullid ja jälgisid, kuidas leek käitub.
Teadlased on kohanud kummalist nähtust. Mikrogravitatsioonis põleb leek erinevalt, moodustab sellest väikesed pallid. See nähtus oli ootuspärane, sest erinevalt Maa tulekahjust tekivad hapnik ja kütus sfääri pinnal õhukese kihina. See on lihtne muster, mis erineb maisest tulest. Siiski avastati kummaline asi: teadlased jälgisid tulekerade põlemise jätkumist ka pärast seda, kui kõigi arvutuste kohaselt oleks põlemine pidanud lõppema. Samal ajal läks tuli nn külma faasi - põles väga nõrgalt, nii et leeki polnud näha. Tegemist oli aga põlemisega ja leek võis kokkupuutel kütuse ja hapnikuga koheselt suure jõuga leekideks lahvatada.
Tavaliselt põleb nähtav tuli kõrgel temperatuuril vahemikus 1227–1727 kraadi Celsiuse järgi. Heptaanimullid ISS-il põlesid ka sellel temperatuuril eredalt, kuid kütuse lõppedes ja jahtudes algas hoopis teistsugune põlemine – külm. See toimub suhteliselt madalal temperatuuril 227-527 kraadi Celsiuse järgi ja ei tekita mitte tahma, CO2 ja vett, vaid mürgisemat süsinikmonooksiidi ja formaldehüüdi.
Sarnaseid külma leegi tüüpe on Maa laborites paljundatud, kuid gravitatsioonitingimustes on selline tuli ise ebastabiilne ja kustub alati kiiresti. ISS-is võib aga külm leek pidevalt mitu minutit põleda. See pole just meeldiv avastus, kuna külm tuli kujutab endast kõrgendatud ohtu: süttib kergemini, sh iseeneslikult, seda on raskem tuvastada ja pealegi eraldub rohkem mürgiseid aineid. Teisest küljest võib avastus leida praktilist rakendust näiteks HCCI tehnoloogias, mis hõlmab bensiinimootorites kütuse süütamist mitte küünaldest, vaid külmast leegist.
NASA mängib rahvusvahelises kosmosejaamas sõna otseses mõttes tulega.
Flexi eksperimenti on tehtud alates 2009. aasta märtsist. Selle eesmärk on paremini mõista, kuidas tuli käitub mikrogravitatsioonis. Uuringu tulemused võivad viia teadlasteni tulevaste kosmoselaevade pardal täiustatud tulekustutussüsteemide loomiseni.
Tuli kosmoses põleb teisiti kui Maal. Kui tuli Maal põleb, soojendab see gaase ja "viskab" põlemissaadused välja. Mikrogravitatsioonis kuumad gaasid ei ilmu. Nii et kosmoses on see täiesti erinev protsess.
"Kosmoses tõmbavad leegid hapnikku 100 korda aeglasemalt kui Maal," ütlevad teadlased.
Kosmiline tuli võib põleda ka madalamal temperatuuril ja väiksema hapnikusisaldusega.
Tulekahju kosmoses käitumise uurimiseks süütavad Project Flexi teadlased spetsiaalsel seadmel tilga heptaani või metanooli. Tilk süttib, neelab sfäärilise leegi ja kaamerad salvestavad kogu protsessi.
Põlemisprotsessi käigus täheldasid teadlased mõningaid ootamatuid nähtusi.
"Kõige üllatavam asi, mida oleme seni näinud, on see, et heptaani tilgad põlevad pärast leegi kustumist edasi. Me pole veel aru saanud, miks see juhtub."
"Täna on kosmoses toimuva põlemisprotsessi kohta veel palju arusaamatut. Töötame selle kallal."
Nii töötab uudishimulik inimene: pole midagi paremat ja meelelahutuslikumat kui huvitav, ebatavaline eksperiment. Ja kui katset nimetatakse "tulekahjuks kosmoses", on miljonid sellest huvitatud. Teadusuudiste jälgijad mäletavad vapustavaid fotosid ja videoid 11. juunil 2017, kuidas kaubalaev Cygnus OA-7 John Glenn põles nullgravitatsioonis. Tegemist oli tahtliku süütamisega ja kõik toimunu salvestati kaamerasse. Mis eesmärgil? Sellest tasub lähemalt rääkida.
Tulega mängimise olemus on kaaluta olek
Pole vaja selgitada, miks tuli Kosmoses on ohtlikum kui Maal. Maa peal toimivad gravitatsiooniseadused, on kuhugi põgeneda ja kust tuld kustutada. Aga mis siis, kui avatud ruumis on tulekahju? Kas see on üldse võimalik? Kas leek tekitab suitsu? Ja kui kiiresti see levib?
NASA teadlased otsustasid need küsimused välja selgitada. Kosmoselaevade loojate jaoks on äärmiselt oluline teada, kas Kosmoses põleb tuli, kuidas käitub suits nullgravitatsiooni korral. Kolme katse fotod ja videod on avalikult saadaval.
Katseid teemal “kuidas tuli kosmoses põleb” (ametlikult SAFFIRE) on tehtud alates 2016. aastast. Idee oli süüdata teraskarbis, mille mõõtmed on 1 meeter korda 1,5 meetrit, puuvilla ja klaaskiu segust valmistatud kangatükk. Antud juhul pandi süütamine toime ventilaatorite õhuvoolus. Seda tehti selleks, et mõista, kuidas tulekahju vaakumis erinevates tingimustes käitub. Eksperimendi käigus toimunu filmiti fotole ja videole.
Paremal on tuli Maa peal, vasakul on nullgravitatsiooniga tuli
Teise katse käigus põletati nullgravitatsiooni tingimustes samas kastis üheksa proovi erinevatest kosmoselaevade ehitamisel kasutatud materjalidest. Eesmärk: määrata proovide tulepüsivus, materjali paksuse mõju tule leviku kiirusele ruumis.
Kolmandas ja viimases katses põletati uuesti töörõivaste valmistamiseks kasutatud pleksiklaasist niitidega kangast, kuid muudetud õhuvoolukiirusel. Pärast esimest sarnast katset saadud andmed sisestati arvutisse, mis neid töötles ja andis materjali süttimise tõenäosust ja kiirust ennustavad tulemused. Nüüd oli vaja need üle kontrollida, et arvuti moodul töötab korralikult.
Mida tulemused näitasid
Milleks see osutus? Arvutimoodul oli vale, kuid teises suunas: tulekahju süttimine ja levik toimus oodatust aeglasemalt. Suuremad laigud põlesid aeglasemalt kui väiksemad proovid ja tekitasid vähem suitsu. See tähendab, et tulekahju avastatakse hiljem ja seda on raskem likvideerida.
Üldiselt on kindlaks tehtud, et tuli põleb kaaluta oleku tingimustes teisiti kui Maal. Erinevused on järgmised:
- tuli kosmoses tõmbab õhust hapnikku 100 korda aeglasemalt kui Maal;
- leek süttib isegi madala hapnikusisalduse korral;
- tulekahju on võimalik madalatel temperatuuridel;
- kaaluta oleku tingimustes ei eralda tuli põlemisprodukte, kuna hapnikugaasid ei kuumene;
- Kui süütate tilga metanooli, jätkub põlemine ka pärast tulekahju kadumist.
Viimane paradoks rabas praegu uurijaid kõige rohkem, selle põhjuseid ei oska teadlased selgitada.
Vastus küsimusele, kas kosmoses on tuld, saadi juba ammu. Ja nüüd, tänu NASA ohtlikele nullgravitatsiooniga "süütele", teame ka täpselt, kuidas see erinevates tingimustes käitub. Katsed süütamisega pole lõppenud ja peagi tehakse teatavaks uued tulemused.
Astronautika ajaloo suurim tulekahju leidis aset madalal maakera orbiidil. Tuli sai alguse eelmisel päeval rahvusvahelisest kosmosejaamast lahti dokkinud kaubalaevast Cygnus. Tõsi, see tulekahju on õppetuli, õigemini eksperimentaalne, ja teadlased plaanisid seda teha juba tükk aega tagasi koos laevaga selle aasta märtsis.
Põlenguallikaks oli kuum traat, mis süütas suure puuvilla- ja klaaskiust riidetüki mõõtmetega 1 m x 40 cm Põlev kalts ei olnud ohtlik - see põles spetsiaalses kahekambrilises anumas. Üks kamber sisaldas materjale, mis tegelikult pidid põlema, teises olid seadmed inimtegevusest tingitud tulekahju jälgimiseks ja jälgimiseks - erinevad andurid ja kõrge eraldusvõimega kaamerad.
Ebatavaline katse viidi läbi, et paremini mõista tule leviku mehhanisme kaaluta oleku tingimustes. See aitab kaitsta tulevasi astronaute pikkade kosmosemissioonide ajal, kuna lahtise tule oht on kosmoselaevade astronautide üks peamisi riske.
Mehitatud kosmoseuuringute ajaloo kuulsaim tulekahju oli 23. veebruaril 1997 Miri jaama pardal toimunud tulekahju. Tulekahju põhjustas hapniku regenereerimispommi rike, kui pardal oli kuuest inimesest koosnev rahvusvaheline meeskond.
Seejärel tulekahju kustutati ja meeskonnaliikmed pidid panema ette gaasimaskid.
"Tulekahju lahes on NASA suur probleem," ütles katse juht Harry Ruff.
Kosmoselaeva tulekatse ehk Saffire-1 on suurim tulekahju kosmoses, kuid see pole kaugeltki esimene. Varasemates katsetes katsetasid teadlased ka lahtist põlemist, kuid siis ei ületanud lahtise leegi suurus plastkaardi suurust.
Teadlased on aastakümneid püüdnud mõista ja eksperimentaalselt kindlaks teha, kuidas avatud põlemine toimub nullgravitatsiooni korral. Viimastel aastatel on orbiidil tehtud palju katseid, et uurida leegi kuju ja temperatuuri erinevate ainete põlemisel.
Suuremahuliste katsete läbiviimist ISS-i tingimustes takistab aga meeskonna olemasolu, mistõttu tuli NASA-le idee süüdata dokkimata isoleeritud laeval tulekahju.
Eksperiment ise kestab ligikaudu kaks tundi ja selle aja jooksul jälgivad teadlased leegi kasvu, temperatuuri tõusu ja seda, kuidas mõjutab tule levikut ümbritseva õhu piiratud hapnik. Süütamist korratakse kaks korda – erineval kiirusel, mil õhk läbis põlevat materjali.
Kõigepealt kavatseti kangas põlema panna ühelt poolt, siis teiselt servalt, et tuli läheks vastu õhu liikumissuunda. "Saffire'i eksperiment on vajalik selleks, et paremini mõista, kuidas tuli kosmoses käitub, mis aitab NASA-l välja töötada uusi materjale, tehnoloogiaid ja protseduure, et vähendada ohtu meeskonna eludele ja kosmoselendude ohutusele," lisas Ruff. Esialgsetel andmetel õnnestus eksperiment NASA tulekahjust peagi avalikustada.
Pärast kontrollitud tulekahju ei taha NASA insenerid peatuda ja jätkavad põlemist.
Enne aasta lõppu viiakse OA-5 ja OA-7 missioonide raames läbi kaks sarnast katset. Nende katsete käigus süüdatakse kosmoses tavaliselt kasutatavad materjalid – akende pleksiklaas, astronautide riided ja muud. Ning Cygnuse laev, millel tänane tulekahju toimus, lahkub 22. juunil orbiidilt ja põleb atmosfääris ära.