Wie brennt Feuer in der Schwerelosigkeit? Feuer in der Schwerelosigkeit brennt ganz anders als auf der Erde – Wissenschaftler stehen vor einem seltsamen Phänomen

Das an Bord der Internationalen Raumstation durchgeführte FLEX-Experiment lieferte unerwartete Ergebnisse – eine offene Flamme verhielt sich überhaupt nicht wie von Wissenschaftlern erwartet.

Wie manche Wissenschaftler gerne sagen, ist Feuer das älteste und erfolgreichste chemische Experiment der Menschheit. Tatsächlich begleitete das Feuer die Menschheit schon immer: von den ersten Feuern, auf denen Fleisch gebraten wurde, bis hin zur Flamme eines Raketentriebwerks, das einen Menschen zum Mond brachte. Im Großen und Ganzen ist Feuer ein Symbol und Instrument für den Fortschritt unserer Zivilisation.

Der Unterschied zwischen der Flamme auf der Erde (links) und der Schwerelosigkeit (rechts) ist offensichtlich. Auf die eine oder andere Weise wird die Menschheit erneut das Feuer beherrschen müssen – dieses Mal im Weltraum.

Dr. Forman A. Williams, Professor für Physik an der University of California, San Diego, beschäftigt sich seit langem mit der Erforschung von Flammen. Normalerweise ist Feuer ein komplexer Prozess aus Tausenden miteinander verbundenen chemischen 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, sogenannte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, bilden Ruß, der ebenfalls verbrennen oder in Rauch übergehen kann. Die bekannte Tropfenform der Kerzenflamme entsteht durch Schwerkraft und Konvektion: Heiße Luft steigt auf und zieht frische kalte Luft in die Flamme, wodurch die Flamme aufsteigt.

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

Wissenschaftler stehen vor einem seltsamen Phänomen. In der Schwerelosigkeit brennt die Flamme anders; sie bildet kleine Kugeln. Dieses Phänomen war zu erwarten, da sich Sauerstoff und Brennstoff in der Schwerelosigkeit im Gegensatz zu Flammen auf der Erde in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche der Kugel treffen. Dabei handelt es sich um einen einfachen Kreislauf, der sich vom Feuer auf der Erde unterscheidet. Es wurde jedoch eine Kuriosität entdeckt: Wissenschaftler beobachteten die Fortsetzung des Brennens von Feuerbällen, selbst nachdem das Brennen nach allen Berechnungen hätte aufhören sollen. Gleichzeitig ging das Feuer in die sogenannte Kaltphase über – es brannte sehr schwach, so dass die Flamme nicht mehr zu sehen war. Es handelte sich jedoch um eine Verbrennung, und die Flammen konnten bei Kontakt mit Kraftstoff und Sauerstoff sofort mit großer Wucht aufflammen.

Ein normalerweise sichtbares Feuer brennt bei einer hohen Temperatur zwischen 1227 und 1727 Grad Celsius. Heptanblasen auf der ISS brannten bei dieser Temperatur ebenfalls hell, aber als der Treibstoff aufgebraucht und abgekühlt war, begann ein völlig anderes Brennen – kalt. Es findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 227–527 Grad Celsius statt und erzeugt keinen Ruß, CO2 und Wasser, sondern giftigeres 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 ein kaltes Feuer eine erhöhte Gefahr darstellt: Es ist leichter zu entzünden, auch spontan, es ist schwieriger zu erkennen und außerdem werden mehr giftige Substanzen freigesetzt. Andererseits könnte die Entdeckung praktische Anwendung finden, beispielsweise in der HCCI-Technologie, bei der Kraftstoff in Benzinmotoren nicht durch Kerzen, sondern durch eine kalte Flamme gezündet wird.

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 lieferte unerwartete Ergebnisse – eine offene Flamme verhielt sich überhaupt nicht wie von Wissenschaftlern erwartet.

Wie manche Wissenschaftler gerne sagen, ist Feuer das älteste und erfolgreichste chemische Experiment der Menschheit. Tatsächlich begleitete das Feuer die Menschheit schon immer: von den ersten Feuern, auf denen Fleisch gebraten wurde, bis hin zur Flamme eines Raketentriebwerks, das einen Menschen zum Mond brachte. Im Großen und Ganzen ist Feuer ein Symbol und Instrument für den Fortschritt unserer Zivilisation.

Dr. Forman A. Williams, Professor für Physik an der University of California, San Diego, beschäftigt sich seit langem mit der Erforschung von Flammen. Normalerweise ist Feuer ein komplexer Prozess aus Tausenden miteinander verbundenen chemischen 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, sogenannte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, bilden Ruß, der ebenfalls verbrennen oder in Rauch übergehen kann. Die bekannte Tropfenform der Kerzenflamme entsteht durch Schwerkraft und Konvektion: Heiße Luft steigt auf und zieht frische kalte Luft in die Flamme, wodurch die Flamme aufsteigt.

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

Wissenschaftler stehen vor einem seltsamen Phänomen. In der Schwerelosigkeit brennt die Flamme anders; sie bildet kleine Kugeln. Dieses Phänomen war zu erwarten, da sich Sauerstoff und Brennstoff in der Schwerelosigkeit im Gegensatz zu Flammen auf der Erde in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche der Kugel treffen. Dabei handelt es sich um einen einfachen Kreislauf, der sich vom Feuer auf der Erde unterscheidet. Es wurde jedoch eine Kuriosität entdeckt: Wissenschaftler beobachteten die Fortsetzung des Brennens von Feuerbällen, selbst nachdem das Brennen nach allen Berechnungen hätte aufhören sollen. Gleichzeitig ging das Feuer in die sogenannte Kaltphase über – es brannte sehr schwach, so dass die Flamme nicht mehr zu sehen war. Es handelte sich jedoch um eine Verbrennung, und die Flammen konnten bei Kontakt mit Kraftstoff und Sauerstoff sofort mit großer Wucht aufflammen.

Ein normalerweise sichtbares Feuer brennt bei einer hohen Temperatur zwischen 1227 und 1727 Grad Celsius. Heptanblasen auf der ISS brannten bei dieser Temperatur ebenfalls hell, aber als der Treibstoff aufgebraucht und abgekühlt war, begann ein völlig anderes Brennen – kalt. Es findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 227–527 Grad Celsius statt und erzeugt keinen Ruß, CO2 und Wasser, sondern giftigeres 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 ein kaltes Feuer eine erhöhte Gefahr darstellt: Es ist leichter zu entzünden, auch spontan, es ist schwieriger zu erkennen und außerdem werden mehr giftige Substanzen freigesetzt. Andererseits könnte die Entdeckung praktische Anwendung finden, beispielsweise in der HCCI-Technologie, bei der Kraftstoff in Benzinmotoren nicht durch Kerzen, sondern durch eine kalte Flamme gezündet wird.

Unter schwerelosen Bedingungen treten mehrere merkwürdige Effekte auf, über die ich in einer meiner vorherigen Nachrichten versprochen habe.

Es ist sehr interessant zu betrachten, wie sich zwei Gegensätze in der Schwerelosigkeit verhalten: Wasser und Flamme.

Unter normalen irdischen Bedingungen wirken mehrere Kräfte auf Wasser (eigentlich auf jede Flüssigkeit), das in ein Gefäß gegossen wird. Durch den Einfluss der Schwerkraft liegt es ständig am Boden des Gefäßes, in das es gegossen wird. Es gibt auch Oberflächenspannungskräfte in der Flüssigkeit, die ständig dazu neigen, die Oberfläche der Flüssigkeit zu verringern. Dank ihr, Ihr ist es zu verdanken, dass der Wasserstrahl zu einem Zylinder „zusammenklebt“. Diese beiden Kräfte sind immer im Gleichgewicht.

Stellen Sie sich nun vor, wir sitzen im Cockpit eines Raumschiffs in der Schwerelosigkeit. Alle Objekte schweben im Cockpit unseres Raumschiffs. Vergessen Sie nicht, dass die Schwerkraft weiterhin auf alle Objekte in der Umgebung einwirkt, denn () der Flug eines Raumschiffs ist ein ständiger Sturz unter seinem Einfluss. Sowohl die Körper im Inneren des Schiffes als auch das Schiff selbst fallen mit der gleichen Beschleunigung, sodass die Körper keinen Einfluss auf ihre Unterstützung haben, das heißt, sie haben kein Gewicht.

Und hier beginnen die Oberflächenspannungskräfte die Hauptrolle zu spielen. Wenn Sie die Flüssigkeit aus dem Gefäß ausschütten, ergießt sie sich nicht auf den Boden (Schwerelosigkeit!!!), sondern schwebt in der Schiffskabine herum. Nicht nur schwimmen, sondern schwimmen, zu einem Ball zusammengefasst.

Warum passiert das? Tatsache ist, dass Oberflächenspannungskräfte immer dazu neigen, die Oberfläche einer Flüssigkeit zu verringern. Und die Kugel zeichnet sich dadurch aus, dass sie von allen geometrischen Körpern mit gleichem Volumen die kleinste Oberfläche hat.

Generell verhalten sich Flüssigkeiten in der Schwerelosigkeit anders als auf der Erde. Das sagt Kosmonaut Alexander Serebrov dazu:

Um Wasser in eine Flasche zu gießen, stecken Sie auf der Erde den Hals unter die Düse. Im Weltraum sammelt sich unter Schwerelosigkeitsbedingungen die Flüssigkeit nicht am Boden des Gefäßes an, sondern „schwebt“ in Form von kugelförmigen Tropfen unterschiedlicher Größe im Gefäß. Wenn Sie das Gefäß mit Wasser füllen, wird die Luft herausgedrückt und die darin schwebenden Wassertröpfchen „schweben“ zusammen mit der Luft. Wird der Strahl mit geringer Geschwindigkeit direkt auf die Wand des Gefäßes gerichtet, bleibt das Wasser, das die Wand benetzt, daran haften und es bleiben keine schwebenden Tropfen zurück (zumindest bis das Gefäß geschüttelt wird). Um Wasser zu erhalten, muss die Flasche entweder geschüttelt oder abgewickelt werden, sodass die Flüssigkeit an ihre Wände gedrückt wird, oder es kann eine Spritze verwendet werden. Ich habe meinen eigenen Weg gefunden: indem ich einen langen und schmalen Gegenstand in das Gefäß gelegt habe, zum Beispiel den Stiel eines Löffels, an dem die Tropfen haften bleiben. Durch die Kräfte der Oberflächenspannung „verteilt“ sich die Flüssigkeit entlang des Griffs und nähert sich dem Rand des Gefäßhalses.

Verfahren im Zusammenhang mit der persönlichen Hygiene werden ziemlich kompliziert: Eine gewöhnliche Dusche in der Schwerelosigkeit funktioniert nicht. Oder besser gesagt, das wird der Fall sein, aber Wassertröpfchen fließen nicht in das Abflussloch, sondern verteilen sich in der Schiffskabine und gelangen selbst an die unzugänglichsten Stellen :) Das heißt, diese Aufgabe ist äußerst schwierig. In der Sowjetunion wurde jedoch eine Weltraumdusche geschaffen. An den Orbitalstationen Saljut-6 und Saljut-7 wurden Duschkabinen installiert. Dabei handelte es sich um geschlossene Faltkabinen (damit die Tropfen nicht herausflog). Unter der Wirkung eines Druckluftstrahls floss Wasser aus der Dusche und wurde auch gewaltsam in das Abflussloch gesaugt. Das Gerät wurde jedoch als ineffizient eingestuft (aufgrund des zu hohen Wasserverbrauchs, der im Weltraum „Gold wert“ ist), sodass es auf den Stationen der nächsten Generation – Mir und der ISS – keine Seele gibt. Die Astronauten waschen sich, indem sie sich mit speziellen feuchten Handtüchern abwischen. Wir alle kennen Feuchttücher – ein echtes Produkt des Weltraumzeitalters.

Und was ist mit der Flamme? Auch verhält es sich in der Schwerelosigkeit anders als auf der Erde. Schau dir das Bild an:

Links - eine Kerzenflamme unter normalen Bedingungen, rechts - in Schwerelosigkeit. Und wiederum nimmt das Objekt unserer Betrachtung tendenziell die Form einer Kugel an. Warum passiert es dieses Mal?

Auf der Erde entstehen durch den Einfluss der Schwerkraft Konvektionsströme, die insbesondere die glühenden Rußpartikel anheben, wodurch wir eine solche Form und Farbe der Flamme beobachten. In der Schwerelosigkeit gibt es keine Konvektionsströmungen und Rußpartikel steigen nirgendwo auf. Die Flamme einer Kerze hat die Form einer Kugel und einen bläulichen Farbton. Diese Farbe ist darauf zurückzuführen, dass es sich bei dem Kerzenmaterial um eine Mischung gesättigter Kohlenwasserstoffe handelt, die beim Verbrennen Wasserstoff freisetzen, der wiederum ebenfalls zu brennen beginnt. Und Wasserstoff brennt mit blauer Flamme.

Ein an Bord der Internationalen Raumstation durchgeführtes Experiment lieferte unerwartete Ergebnisse – eine offene Flamme verhielt sich überhaupt nicht wie von Wissenschaftlern erwartet.

Wie manche Wissenschaftler gerne sagen, ist Feuer das älteste und erfolgreichste chemische Experiment der Menschheit. Tatsächlich begleitete das Feuer die Menschheit schon immer: von den ersten Feuern, auf denen Fleisch gebraten wurde, bis hin zur Flamme eines Raketentriebwerks, das einen Menschen zum Mond brachte. Im Großen und Ganzen ist Feuer ein Symbol und Instrument für den Fortschritt unserer Zivilisation.

Dr. Forman A. Williams, Professor für Physik an der University of California, San Diego, beschäftigt sich seit langem mit der Erforschung von Flammen. Normalerweise ist Feuer ein komplexer Prozess aus Tausenden miteinander verbundenen chemischen 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, sogenannte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, bilden Ruß, der ebenfalls verbrennen oder in Rauch übergehen kann. Die bekannte Tropfenform der Kerzenflamme entsteht durch Schwerkraft und Konvektion: Heiße Luft steigt auf und zieht frische kalte Luft in die Flamme, wodurch die Flamme aufsteigt.

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

Wissenschaftler stehen vor einem seltsamen Phänomen. In der Schwerelosigkeit brennt die Flamme anders; sie bildet kleine Kugeln. Dieses Phänomen war zu erwarten, da sich Sauerstoff und Brennstoff in der Schwerelosigkeit im Gegensatz zu Flammen auf der Erde in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche der Kugel treffen. Dabei handelt es sich um einen einfachen Kreislauf, der sich vom Feuer auf der Erde unterscheidet. Es wurde jedoch eine Kuriosität entdeckt: Wissenschaftler beobachteten die Fortsetzung des Brennens von Feuerbällen, selbst nachdem das Brennen nach allen Berechnungen hätte aufhören sollen. Gleichzeitig ging das Feuer in die sogenannte Kaltphase über – es brannte sehr schwach, so dass die Flamme nicht mehr zu sehen war. Es handelte sich jedoch um eine Verbrennung, und die Flammen konnten bei Kontakt mit Kraftstoff und Sauerstoff sofort mit großer Wucht aufflammen.

Ein normalerweise sichtbares Feuer brennt bei einer hohen Temperatur zwischen 1227 und 1727 Grad Celsius. Heptanblasen auf der ISS brannten bei dieser Temperatur ebenfalls hell, aber als der Treibstoff aufgebraucht und abgekühlt war, begann ein völlig anderes Brennen – kalt. Es findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 227–527 Grad Celsius statt und erzeugt keinen Ruß, CO2 und Wasser, sondern giftigeres 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 ein kaltes Feuer eine erhöhte Gefahr darstellt: Es ist leichter zu entzünden, auch spontan, es ist schwieriger zu erkennen und außerdem werden mehr giftige Substanzen freigesetzt. Andererseits könnte die Entdeckung praktische Anwendung finden, beispielsweise in der HCCI-Technologie, bei der Kraftstoff in Benzinmotoren nicht durch Kerzen, sondern durch eine kalte Flamme gezündet wird.

Dieses Bild wurde während eines Experiments zur Untersuchung der Verbrennungsphysik in einem speziellen 30-Meter-Turm (2,2-Sekunden-Fallturm) am John Glenn Research Center aufgenommen, der die Schwerelosigkeitsbedingungen im freien Fall simulieren soll. Viele Experimente, die damals 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 unter Bedingungen der Schwerelosigkeit keine Aufwärtsbewegung der Luft und keine Konvektion ihrer warmen und kalten Schichten gibt, die auf der Erde die Flamme in die Form eines Tropfens „zieht“. Der Flamme fehlt die Zufuhr von sauerstoffhaltiger Frischluft zum Brennen, sie ist kleiner und nicht so heiß. Die auf der Erde bekannte gelb-orange Farbe der Flamme entsteht durch das Leuchten von Rußpartikeln, die mit einem heißen Luftstrom aufsteigen. 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 selbst der Ruß aufgrund der niedrigeren Temperatur nur im Infrarotbereich leuchtet. Auf dem oberen Foto ist noch eine gelb-orange Farbe in der Flamme zu erkennen, da hier das frühe Stadium der Zündung gefilmt wird, in dem noch genügend Sauerstoff vorhanden ist.

Untersuchungen zur Verbrennung unter schwerelosen Bedingungen sind besonders wichtig für die Gewährleistung der Sicherheit von Raumfahrzeugen. In einem speziellen Raum an Bord der ISS werden seit mehreren Jahren Experimente zum Flame Extinguishment Experiment (FLEX) durchgeführt. 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 2,5–4 mm Durchmesser. Danach schrumpft der Tropfen, bis entweder die Flamme erlischt oder der Brennstoff ausgeht. Das unerwartetste Ergebnis war, dass der Heptantropfen nach sichtbarer Verbrennung in die sogenannte „Kaltphase“ überging – die Flamme wurde so schwach, dass sie nicht mehr sichtbar war. Und doch handelte es sich um eine Verbrennung: Das Feuer konnte bei Kontakt mit Sauerstoff oder Brennstoff sofort aufflammen.

Wie die Forscher erklären, schwankt die Temperatur der Flamme bei normaler Verbrennung zwischen 1227 °C und 1727 °C – bei dieser Temperatur gab es im Experiment sichtbares Feuer. Als der Kraftstoff verbrannte, begann die „kalte Verbrennung“: Die Flamme kühlte auf 227–527 °C ab und erzeugte nicht Ruß, Kohlendioxid und Wasser, sondern giftigere Stoffe – Formaldehyd und Kohlenmonoxid. Während des FLEX-Experiments wählten sie außerdem die am wenigsten entflammbare Atmosphäre auf der Basis von Kohlendioxid und Helium, was dazu beitragen wird, das Risiko von Raumfahrzeugbränden in der Zukunft zu verringern.

http://earth-chronicles.ru/news/2013-06-20-45791
https://elementy.ru/kartinka_dnya/344/Plamya_v_nevesomosti

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