Říká se, že oheň je první chemický experiment lidí. Po tisíce let lidé pomocí ohně míchají vzduch bohatý na kyslík s nejrůznějšími palivy, a vytvářejí tak zářivé plameny. O různých formách spalování se učíme od prvních táboráků až po spalovací motory na dálnicích 21. století. Konstruktéři studují hoření, aby vytvořili lepší spalovací motory, chemici hledají v plamenech neobvyklé reakce, kuchaři experimentují s ohněm kvůli lepším pokrmům. Nečekali byste, že se o ohni ještě máme co naučit.
Experiment NASAPokusy v laboratoři FLEX testují hoření (a hašení) na Mezinárodní vesmírné stanici už od roku 2009. |
S tím ovšem nesouhlasí Dr. Forman A. Williams, profesor fyziky na Univerzitě v Kalifornii v San Diegu. „Když přijde na oheň, zatím jsme na úplném začátku,“ tvrdí.
Složité plameny na Zemi i ve vesmíru
Plamenům je těžké zcela porozumět, protože jsou komplikované. Při obyčejném hoření svíčky probíhají v jeden okamžik tisíce chemických reakcí naráz. Uhlovodíkové molekuly z knotu se vypařují a rozpadají horkem. Po spojení s kyslíkem produkují světlo, teplo, oxid uhličitý a vodu. Některé uhlovodíkové fragmenty vytvářejí prstencové molekuly zvané polycyklické aromatické uhlovodíky, a také saze. Saze mohou rovněž samy hořet, nebo zkrátka odplout ve formě kouře.
Polární záře z ISS |
Známý tvar plamene připomínající kapku je také výsledkem působení gravitace. Horký vzduch stoupá a táhne za sebou vzduch chladnější. Díky tomuto vztlaku plamen plápolá směrem vzhůru. Ale co když zapálíte svíčku na Mezinárodní vesmírné stanici?
Plamen ve vesmíru (zdroj: NASA)
„V mikrogravitaci hoří plameny jinak. Vytvářejí malé koule,“ říká Williams. A tyto kulovité plamínky se ukazují být studnicí cenných poznatků o spalování. Na rozdíl od plamenů na Zemi, které se lačně rozpínají, když potřebují více paliva, kulovité plameny čekají, až kyslík přijde k nim. Kyslík a palivo se směšují v úzké zóně na povrchu koule, a ne všude možně kdekoli v oblasti plamene. Je to mnohem jednodušší.
Hoření bez plamene
Nedávno provedl Williamss s kolegy na ISS experiment s názvem FLEX, aby zjistili, jak hasit plameny v mikrogravitaci. Zjistili přitom něco zvláštního. Malé kapky heptanu byly spalovány ve speciální spalovací komoře FLEX. Plameny byly podle plánu uhašeny, ale kapky nečekaně pokračovaly v hoření.
„Je to hoření bez plamene,“ říká Williams. „Sami jsme tomu napřed nevěřili.“ Williams se domnívá, že zde plameny jsou, jen jsou tak jemné, že je není možné pozorovat. „Jsou to chladné plameny,“ vysvětluje. Obyčejné viditelné plameny hoří při vysokých teplotách mezi 1 200 a 1 700 stupni Celsia. V horkém režimu začal i plamen heptanu na ISS. Ale poté, co se kulaté plameny ochladily, převládl jiný typ spalování. „Studené plameny hoří při relativně nízkých teplotách, mezi 200 a 540 stupni Celsia,“ říká Williams.
„A chemie jejich spalování je úplně jiná. Normální plameny produkují vodu, oxid uhličitý a saze. Studené plameny produkují oxid uhelnatý a formaldehyd.“
Podobné studené plameny lze vytvořit i na Zemi, ale zhasnou prakticky okamžitě. Na vesmírné stanici je lze udržet i po dobu jedné minuty. „Tyto výsledky mají praktické dopady,“ poznamenal Williams. „Například by mohly vést k ekologičtějšímu spalování.“
Jedním z nápadů, na kterých automobilky pracují už několik let, je HCCI, což je zkratka pro vznětový motor s homogenním naplněním spalovacího prostoru. Ve válci motoru by se používal jemnější, méně znečišťující spalovací proces. „To vyžaduje chemii studených plamenů,“ říká Williams. „Větší kontrola, kterou máme nad studeným spalováním na vesmírné stanici, nám dává přesnější hodnoty při zkoumání této chemie pro tento výzkum.“
