Eksperimen, yang dilakukan di Stasiun Luar Angkasa Internasional, memberikan hasil yang tidak terduga - nyala api yang terbuka berperilaku sangat berbeda dari yang diharapkan para ilmuwan.
Seperti yang sering dikatakan beberapa ilmuwan, api adalah eksperimen kimiawi tertua dan tersukses bagi umat manusia. Memang, api selalu hilang bersama umat manusia: dari api unggun pertama, tempat daging digoreng, hingga nyala mesin roket yang membawa seseorang ke bulan. Secara umum, api adalah simbol dan instrumen kemajuan peradaban kita.
Forman A. Williams, profesor fisika di Universitas California, San Diego, memiliki sejarah panjang dalam meneliti api. Api biasanya merupakan proses kompleks dari ribuan reaksi kimia yang saling berhubungan. Misalnya, dalam nyala lilin, molekul hidrokarbon menguap dari sumbu, terurai saat terkena panas, dan bergabung dengan oksigen untuk menghasilkan cahaya, panas, CO2, dan air. Beberapa gugus hidrokarbon berupa molekul berbentuk cincin, disebut hidrokarbon polisiklik aromatik, membentuk jelaga, yang juga dapat terbakar atau berubah menjadi asap. Bentuk tetesan air mata yang biasa dari cahaya lilin diberikan oleh gravitasi dan konveksi: udara panas naik ke atas dan menarik udara dingin segar ke dalam nyala api, sehingga menarik nyala api ke atas.
Namun ternyata dalam gravitasi nol segala sesuatunya terjadi secara berbeda. Dalam sebuah eksperimen yang disebut FLEX, para ilmuwan mempelajari api di atas kapal ISS untuk mengembangkan teknologi untuk memadamkan api dalam gravitasi nol. Para peneliti menyalakan gelembung kecil heptana di dalam ruang khusus dan mengamati bagaimana api berperilaku.
Ilmuwan dihadapkan pada fenomena aneh. Dalam gayaberat mikro, nyala api menyala secara berbeda; ia membentuk bola-bola kecil. Fenomena ini diharapkan karena, tidak seperti nyala api di Bumi, dalam gravitasi nol, oksigen dan bahan bakar bertemu dalam lapisan tipis di permukaan bola. Ini adalah skema sederhana yang berbeda dari api di bumi. Namun, sebuah keanehan ditemukan: para ilmuwan mengamati terus pembakaran bola api bahkan setelah, menurut semua perhitungan, pembakaran seharusnya berhenti. Pada saat yang sama, api melewati apa yang disebut fase dingin - terbakar sangat lemah, sedemikian rupa sehingga nyala api tidak terlihat. Namun, itu terbakar, dan nyala api bisa langsung meledak 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 terbakar 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 lebih beracun.
Jenis api dingin serupa telah direproduksi di laboratorium di Bumi, tetapi dalam kondisi gravitasi, api seperti itu sendiri tidak stabil dan selalu cepat padam. Namun, di ISS, nyala api dingin dapat menyala terus selama beberapa menit. Ini bukan penemuan yang menyenangkan, karena api dingin meningkatkan bahaya: lebih mudah menyala, termasuk secara spontan, lebih sulit dideteksi dan, terlebih lagi, melepaskan lebih banyak zat beracun. Di sisi lain, penemuan dapat menemukan aplikasi praktis, misalnya, dalam teknologi HCCI, yang melibatkan penyalaan bahan bakar di mesin bensin bukan dari lilin, tetapi dari nyala api dingin.
Video promosi:
Gambar ini diambil selama percobaan untuk mempelajari fisika pembakaran di menara khusus setinggi 30 meter (Menara Jatuh 2,2 Detik) dari Pusat Penelitian John Glenn (Pusat Penelitian Glenn), yang dibuat untuk mensimulasikan kondisi gayaberat mikro di jatuh bebas. Banyak eksperimen yang kemudian dilakukan pada pesawat ruang angkasa yang sebelumnya diuji di menara ini, itulah sebabnya menara ini disebut "gerbang ke luar angkasa".
Bentuk bola api dijelaskan oleh fakta bahwa di bawah kondisi gravitasi nol tidak ada pergerakan udara naik dan konveksi lapisan hangat dan dinginnya tidak terjadi, yang di Bumi "menarik" api ke bentuk tetesan. Nyala api untuk pembakaran tidak memiliki cukup udara segar yang mengandung oksigen, dan ternyata lebih kecil dan tidak terlalu panas. Warna kuning-oranye nyala api yang kita kenal di Bumi disebabkan oleh cahaya partikel jelaga yang naik ke atas dengan aliran udara panas. Dalam gravitasi nol, nyala api memperoleh warna biru, karena sedikit jelaga yang terbentuk (ini membutuhkan suhu lebih dari 1000 ° C), dan jelaga, karena suhu yang lebih rendah, hanya akan bersinar dalam jarak inframerah. Pada foto atas, warna kuning-oranye masih terdapat pada nyala api, karena tahap awal penyalaan ditangkap saat oksigen masih cukup.
Investigasi pembakaran dalam gravitasi nol sangat penting untuk memastikan keamanan pesawat ruang angkasa. Selama beberapa tahun ini, eksperimen Flame Extinguishment Experiment (FLEX) telah dilakukan di kompartemen khusus di ISS. Peneliti menyalakan tetesan kecil bahan bakar (seperti heptana dan metanol) di atmosfer yang terkendali. Sebuah bola kecil bahan bakar terbakar selama sekitar 20 detik, dikelilingi oleh bola api dengan diameter 2,5–4 mm, setelah itu tetesannya menurun hingga apinya padam atau bahan bakarnya habis. Hasil yang paling tidak terduga adalah setetes heptana, setelah pembakaran yang terlihat, melewati apa yang disebut "fase dingin" - nyala api menjadi sangat lemah sehingga tidak mungkin untuk melihatnya. Namun tetap menyala: api bisa langsung pecah saat berinteraksi dengan oksigen atau bahan bakar.
Seperti yang dijelaskan para peneliti, selama pembakaran normal, suhu nyala berfluktuasi antara 1227 ° C dan 1727 ° C - pada suhu ini dalam percobaan ada api yang terlihat. Saat bahan bakar terbakar, “pembakaran dingin” dimulai: nyala api mendingin hingga 227–527 ° C dan tidak menghasilkan jelaga, karbon dioksida, dan air, tetapi lebih banyak bahan beracun - formaldehida dan karbon monoksida. Eksperimen FLEX juga memilih atmosfer yang paling tidak mudah terbakar berdasarkan karbon dioksida dan helium, yang akan membantu mengurangi risiko kebakaran pesawat ruang angkasa di masa depan.
