為什麼要在太空中做燃燒實驗？
太空中不受重力約束的火焰不僅美麗，研究它們還能幫助我們有效地控制地面上的燃燒。
燃燒是一個複雜的過程
人類對火的迷戀幾乎與我們的曆史一樣久遠。我們的祖先在100萬年前就學會用火烹饪了。到現在，我們已經知道，燃燒是一種化學反應，在反應中，燃料和氧氣轉變為二氧化碳和水。但是，這說起來簡單，其實非常複雜。燃料的燃燒，通常不是一步就到最終産物，而是通過大量的中間化合物來完成的，其中許多化合物是非常不穩定的。
以木材的燃燒為例。木材在受熱之後即産生裂解反應，生成小分子産物。随着燃燒的持續，溫度升高，在200℃左右，主要生成二氧化碳、水蒸氣、甲酸、乙酸以及各種易燃氣體;在200℃～280℃産生少量水汽及一氧化碳;在280℃～500℃，産生可燃蒸氣及顆粒;到500℃以上，主要産物才是二氧化碳和水蒸氣。所以，燃燒的過程相當複雜，很多情況我們至今都不完全了解。
宇航員在太空艙的儀器前觀察燃燒實驗
為什麼現在科學這麼發達，卻連燃燒中發生的事情都沒法詳細掌握呢?
原因是，燃燒的過程涉及到對流：較熱的、密度較小的空氣向上流動，較冷的、密度較大的空氣下沉。火焰本身既驅動對流，反過來又受對流的影響。這個因果循環，就好比一條首尾相銜的蛇，讓量它的身長變得棘手。
解決這個問題又非常迫切。因為盡管我們今天在利用可再生能源方面取得了長足的進步，但是全球範圍内大約85%的能源仍然來自于化石燃料的燃燒。更好地了解這些燃料是如何燃燒的，可以幫助我們更有效地提取熱量，減少污染。
在太空中研究燃燒的魅力在于，那裡幾乎沒有重力，空氣不會因密度的差異而升沉。這意味着沒有對流。這就把關于燃燒的因果循環鍊拆開了，使更深入地了解燃燒中發生的事情成為可能。
可持續的低溫燃燒
當然，有一種方法可以讓我們不離開地球，就能觀察失重條件下發生的事情：把點燃的火從高處扔下去。美國宇航局格倫研究中心有兩個落塔，基本上是長長的管道，實驗品可以在其中自由下落幾秒鐘。研究人員讓燃燒的液滴從管子中落下，并使用相機和其他儀器記錄結果。
但幾秒鐘畢竟太短了，我們能從中獲得的知識非常有限。從1990年代起，美國宇航局開始在國際空間站進行燃燒實驗。
這些實驗表明，在微重力條件下，火焰看起來非常奇怪。它是半球形的，而不是我們熟悉的水滴形;它的光不是明亮的黃色，而是黯淡的藍色。顔色上的差異是因為無法通過對流将新鮮的氧氣攜帶進火焰所緻。因此，氧氣隻能通過擴散(氣體從濃度較高的區域緩慢移動到濃度較低的區域)進入火焰。這使得溫度保持在較低水平，并且産生較少的煙塵——正是煙塵顆粒的熾熱産生了地球上某些火焰的黃色。
微小的、飄浮的煙塵顆粒使得火焰具有橘黃的顔色
2009年，美國宇航局開始了一項稱為火焰熄滅的實驗(FLEX)。這個實驗是在國際空間站點燃甲醇和庚烷等液體的小液滴。實驗是在地球上準備的，在一個相當于洗衣機滾筒大小的裝置中進行。裝置被運送到空間站，科學家從地面遠程操作。這些實驗表明，在太空，燃燒的液滴大小必須保持在一定的尺寸範圍内才能保持燃燒。液滴太小，直徑低于一毫米左右，由于液滴與空氣的接觸面太小，氧氣就不能足夠快地擴散到火焰中。但液滴太大，又會向外輻射太多的熱量，使得火焰無法保持足夠高的溫度。
這一點是預料之中的。但是幾年後，實驗發現了一些明顯出乎意料的事情：太空中的火可以“熄滅”兩次!
點火之後，液滴先是燃燒，産生可見的熱焰，此時其溫度在1200℃~1700℃之間，燃燒生成二氧化碳和水;随着燃燒的進行，液滴逐漸變小，到某個時間點上，可見的火焰消失了。但事實上，此時火焰并沒有熄滅，燃燒仍在繼續，隻是它變成了不可見的冷焰。冷焰的溫度隻達到200℃~500℃，而且燃燒是不完全的，産生一氧化碳和甲醛以及其他分子。
冷焰的發現完全是一個驚喜，它們不可能出現在落塔實驗中，因為它們需要的時間較長，大約一分鐘才能形成。
這一來自太空的發現可能有助于改善内燃機。我們已經知道，在汽車發動機中，燃料的低溫燃燒是汽車熄火的主要原因。經過長期的研究，人們已經掌握了低溫燃燒的特點。但在這之前，研究人員總是以為低溫燃燒隻是通向高溫燃燒的一個中間步驟，而不知道它們本身也是可以獨立持續的。這加深了我們對燃燒的認識，所以這項發現在研發新一代柴油發動機中也許有用。
尋找最佳的燃料混合比
為了發電，我們不僅燃燒液體，也燃燒氣體。當今，燃氣發電站提供了世界上大約25%的電力。美國宇航局希望通過研究氣體在微重力條件下的燃燒，來改善這些發電站的效率。
2017年，美國宇航局的微重力實驗——先進燃燒(ACME)項目開始了。該項目的一部分目标是設計更有效燃燒的火焰。在氣體燃料的火焰中，在沒有足夠的氧氣讓燃料正常燃燒的區域，往往會形成煙塵顆粒。ACME的研究能幫助我們找出氣體燃料和氧氣的最佳混合比，以最大限度地減少煙塵，而這是我們在地球上一直無法獲得的知識。因為在正常重力下，燃燒産生的對流影響了燃燒過程，改變氣體燃料和氧氣的混合比之後，所有的火焰看起來還是都差不多。而在微重力條件下，由于沒有對流，不同混合比的燃燒過程就會明顯地區别開來。
地面的燭焰（左）和太空中的燭焰（右）
ACME項目還嘗試使用電場來塑造火焰的形狀。燃燒過程中産生的一些分子，會在燃燒的高溫中，被電離成離子，因此它們可以受電場引導，使火焰改變形狀。這可以讓我們控制煙塵的形成，并設計出最佳燃燒的火焰形狀。這些經驗最終可能會在燃氣發電站和其他大型爐子中派上用場。
美國宇航局将繼續研究固體燃料在微重力下如何燃燒。在這裡，重點将不在于了解燃燒的過程，而在于了解實際的危險性。因為航天器的大部分部件都是易燃固體，人們想知道它們是如何燃燒的，以便減輕發生意外火災的風險。
拓展閱讀：太空中研究火災
在國際空間站，或者在未來星際航行的飛船上，萬一發生火災，卻找不到任何救援，一想就很可怕。
首先，需要說明的是：在太空中，因為沒有重力，空氣不會像在地球上那樣對流。沒有對流，得不到新鮮空氣的補充，火災就不會蔓延那麼快。所以，與地球上的火災相比，它們的規模較小，蔓延的速度也較慢。
然而，危險仍然是巨大的。一場嚴重的火災将提高航天器内部的溫度和壓強，并耗盡寶貴的氧氣。而且由于有大量的電子設備，你還不能使用水滅火器，隻能用二氧化碳滅火器來撲滅;但你又不能用得太多，以免艙内二氧化碳濃度過高讓人窒息。
更糟的是，我們并不真正知道航天器上的火災會如何發展。為了提高警惕，美國航天局開展了一個名為Saffire的項目。該項目涉及在航天器内故意燃起事故性的大火。在國際空間站上做這樣的實驗太危險了，所以科學家用向國際空間站運送物資的“天鵝座”載貨太空艙代替。反正這些太空艙在正常情況下都是一次性的，裝滿從國際空間站收集的廢物之後，要讓它們在地球大氣中自行墜毀。
2020年5月，Saffire團隊進行了雄心勃勃的實驗，在太空艙中裝入幾塊50厘米寬的燃燒材料，包括模仿宇航服的棉纖維玻璃材料，以及用于制造國際空間站窗戶的塑料，還測試了一個煙霧過濾器，這樣的實驗将有助于科學家們更深刻地認識太空中火的機制。
來源：今日頭條大科技雜志社
最新文章
-
太師修行問答48：人生隻是演戲瑜伽也能修禅，能達到幾禅
7分鐘前 -
![[書法]閑暇草書彙03](https://m.74hao.com/zb_users/upload/2024/10/202410161729086639361289.png)
[書法]閑暇草書彙03
24分鐘前 -
3D技巧：兩碼和差選号法
46分鐘前 -
“落日無情最有情，遍催萬樹暮蟬鳴”楊萬裡詩五首，風格清新自然
1小時前 -
《玄理賦》五行生克的太過不及 等
1小時前 -
《老山1984-1989，中越老山之戰實錄》連載之二：118團8連收敲掉54
2小時前 -
攝影：故鄉的秋色（2）
2小時前 -
論入宅歸火擇吉（續）第二，坐向要吉 坐向要吉，主要是指所選日課
2小時前
有話要說...