Τι είναι οι δροσερές φλόγες και γιατί δεν μπορούμε να τις φτιάξουμε στη γη;

Οι ψυχρές φλόγες είναι μπλε, σφαιρικές φλόγες που εμφανίζονται σε περιβάλλον μικροβαρύτητας. Δημιουργούνται από μια ελεγχόμενη ροή οξυγόνου και δεν παράγουν αιθάλη.

Έχουν περάσει χιλιάδες χρόνια από τότε που οι πρόγονοί μας ανακάλυψαν τη φωτιά. Ακόμα κι έτσι, δεν μπορούμε παρά να νιώθουμε μαγεμένοι από τις επικίνδυνες φλόγες που χορεύουν μια φωτιά. Η έναρξη και ο έλεγχος της φωτιάς είναι μία από τις παλαιότερες μορφές χημείας που ασκείται από τους ανθρώπους και με την πάροδο των αιώνων, έχουμε σχηματίσει μια βασική κατανόηση του πώς συμπεριφέρεται η φωτιά στο terra firma. Στην ατελείωτη προσπάθειά μας να ξεπεράσουμε τα όρια, μερικοί άνθρωποι αποφάσισαν να βγάλουν τη φωτιά "από αυτόν τον κόσμο" για να δουν πώς συμπεριφέρθηκε.

Το 2012, οι αστροναύτες του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού άναψαν φωτιά. Μέσω του Πειράματος Κατάσβεσης Φλόγας ή FLEX, οι επιστήμονες παρατήρησαν κάτι που μέχρι εκείνο το σημείο ήταν μόνο μια θεωρία. Σταγονίδια εξανίου αναφλέγονταν παρουσία οξυγόνου και μέσα στον θάλαμο καύσης, μπλε και σφαιρικό cool φλόγες σχηματίστηκαν. Αλλά πώς μπορεί μια φλόγα να είναι δροσερή; Και γιατί έπρεπε να πάμε στο διάστημα για να τα παρατηρήσουμε για πρώτη φορά; Ας μάθουμε!

Χημεία ψυχρών φλόγων

Οι φλόγες αναδύονται όταν κάτι καίγεται και τα αέρια γύρω του υπερθερμαίνονται και αρχίζουν να λάμπουν. Η συνταγή για τη φωτιά είναι αρκετά απλή, καθώς χρειάζεστε μόνο τρία συστατικά:οξυγόνο, καύσιμο και θερμότητα. Αυτή η βασική σχέση είναι επίσης γνωστή ως "τρίγωνο της φωτιάς".

Το τρίγωνο της φωτιάς (Photo Credit :Luciano Cosmo/ Shutterstock)

Ως γήινοι, δεν χρειάζεται να ανησυχούμε πολύ για το πρώτο συστατικό, το οξυγόνο. Ανά πάσα στιγμή, ο πλανήτης μας φιλοξενεί περίπου 1.200.000 δισεκατομμύρια μετρικούς τόνους αερίου οξυγόνου. Εκτός από τη διατήρηση της ζωής, αυτό το πλούσιο σε οξυγόνο περιβάλλον παρέχει τις τέλειες συνθήκες για να ξεκινήσει μια πυρκαγιά.

Στη συνέχεια, προχωράμε στο καύσιμο, το οποίο είναι κάθε ουσία που θα καεί παρουσία οξυγόνου και θα απελευθερώσει ενέργεια στη διαδικασία. Τεχνικά όλα γύρω μας είναι καύσιμο και θα πιάσουν φωτιά αν αφεθούν να φτάσουν σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, προτιμούμε να χρησιμοποιούμε υλικά που είναι εύφλεκτα ή έχουν χαμηλά σημεία πυρκαγιάς ως καύσιμα, όπως άνθρακα, πετρέλαιο ή εξάνιο.

Η καύση της φωτιάς περιλαμβάνει μια απλή χημική διαδικασία γνωστή ως καύση. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το καύσιμο συνδυάζεται με το οξυγόνο για να υποστεί αρκετές χημικές αντιδράσεις που εκπέμπουν ενέργεια με τη μορφή φωτός και θερμότητας. Ωστόσο, το καύσιμο μπορεί να αντιδράσει με το οξυγόνο μόνο όταν είναι πάνω από τη θερμοκρασία ανάφλεξής του. Η περίσσεια ενέργειας που απαιτείται για την επίτευξη αυτής της θερμοκρασίας και την έναρξη της διαδικασίας καύσης παρέχεται από μια εξωτερική πηγή θερμότητας. Για παράδειγμα, η πηγή θερμότητας για το άναμμα μιας εστίας είναι ένας ηλεκτρικός σπινθήρας, ενώ για ένα σπιρτόξυλο, είναι η τριβή της κεφαλής του σπίρτου με το ανάγλυφο πλαίσιο ενός σπιρτόκουτου.

Οι ψυχρές φλόγες ακολουθούν την ίδια ακριβώς χημεία, όπου οι υδρογονάνθρακες που χρησιμοποιούνται ως καύσιμο αρχίζουν να καίγονται όταν αναφλέγονται παρουσία οξυγόνου. Επίσης, όχι, αυτές οι φλόγες δεν παγώνουν τα πράγματα αντί να τα λιώνουν. Ονομάζονται «ψυχρές φλόγες» επειδή η θερμοκρασία αυτών των φλόγων είναι αρκετά χαμηλή. Μια μέση εστία μαγειρέματος παράγει φλόγες που είναι περίπου 1700 ⁰C, ενώ η θερμοκρασία των ψυχρών φλόγων κυμαίνεται μεταξύ 400 και 600⁰ C.

Τι είναι τόσο μοναδικό για τις δροσερές φλόγες;

Οι δροσερές φλόγες που παρατηρήθηκαν στον ISS είχαν σφαιρικό σχήμα, το οποίο είναι σχεδόν αδύνατο να αναδημιουργηθεί στη Γη υπό κανονικές συνθήκες.

Σφαιρικές φλόγες που παρατηρήθηκαν στο πείραμα καύσης του διαστήματος (Φωτογραφία:Nasa.gov)

Οι περισσότεροι από εμάς μπορεί να μην το συνειδητοποιούμε, αλλά η βαρύτητα παίζει σημαντικό ρόλο στο πώς συμπεριφέρεται η φωτιά στον πλανήτη μας. Όταν ανάβει μια φωτιά εδώ, μια στήλη αέρα/αερίων γύρω της θερμαίνεται. Χάρη στη μεταφορά, τα λιγότερο πυκνά θερμά αέρια ανεβαίνουν προς τα πάνω και απορροφούν ψυχρότερο, πιο φρέσκο ​​αέρα για να διατηρήσουν τη φωτιά. Αυτό το αποτέλεσμα ώθησης και έλξης μεταξύ των ελαφρύτερων καυτών αερίων και του βαρύτερου κρύου αέρα δημιουργεί το ξεχωριστό σχήμα δακρύου μιας φλόγας. Στο διάστημα, δεν υπάρχει βαρύτητα για να δημιουργήσει μια κλίση πυκνότητας, η οποία εξηγεί τις σφαιρικές φλόγες.

Οι σφαιρικές φλόγες επίσης δεν μπορούν να αναπληρώσουν την παροχή οξυγόνου. Ένας εξωτερικός ρυθμιστής, όπως ένας ανεμιστήρας, χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία της φωτιάς. Αυτή η ελεγχόμενη ροή οξυγόνου δημιουργεί μια αχνή μπλε φλόγα όπου το καύσιμο υφίσταται πλήρη καύση για να σχηματίσει μονοξείδιο του άνθρακα και φορμαλδεΰδη, χωρίς καμία υπολειμματική αιθάλη. Οι ιδιότητες μιας φλόγας είναι ελαφρώς διαφορετικές στην περίπτωση αυτοσυντηρούμενων πυρκαγιών στο έδαφος.

Αν παρατηρήσουμε προσεκτικά μια φλόγα κεριού, μπορούμε να εντοπίσουμε δύο τύπους φλόγας:την εξωτερική μπλε φλόγα και την εσωτερική κίτρινη φλόγα. Ο λόγος για αυτό είναι μια διαφορά στην περιεκτικότητα σε οξυγόνο και στη θερμοκρασία. Η εξωτερική μπλε περιοχή μιας φλόγας έχει την υψηλότερη συγκέντρωση οξυγόνου λόγω του εισερχόμενου φρέσκου αέρα από το περιβάλλον της. Αυτό το καθιστά την πιο καυτή περιοχή της φλόγας όπου το καύσιμο (τα περισσότερα από αυτά με βάση τον άνθρακα) καίγεται εντελώς, παράγοντας έτσι μόνο διοξείδιο του άνθρακα και νερό ως υποπροϊόντα.

Η κίτρινη περιοχή, από την άλλη πλευρά, έχει χαμηλότερη θερμοκρασία και χαμηλότερα επίπεδα οξυγόνου. Αυτό οδηγεί στην ατελή καύση των καυσίμων και στο σχηματισμό άκαυτων σωματιδίων άνθρακα - που ονομάζονται «αιθάλη» - μαζί με διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Αυτά τα σωματίδια αιθάλης στη συνέχεια ενεργοποιούνται από τη φωτιά και προσδίδουν το τυπικό κίτρινο χρώμα στις φλόγες.

Διαφορετικές περιοχές μιας φλόγας κεριού. (Φωτογραφία:Μια χαλαρή γραβάτα/Wikimedia Commons)

Αν και όχι πολύ συνηθισμένο, μπορεί να δημιουργηθούν εντελώς μπλε φλόγες στη γη. Το μόνο που έχετε να κάνετε είναι να κατευθύνετε αρκετό οξυγόνο στη φωτιά. Εξοπλισμός όπως οι καυστήρες Bunsen και οι φακοί συγκόλλησης παράγουν σχεδόν εξ ολοκλήρου μπλε φλόγες ρυθμίζοντας προσεκτικά τη ροή οξυγόνου και καυσίμου.

Τι κάνει τις φλόγες του διαστήματος δροσερές;

Πρώτον, γιατί φωτίστηκαν στο διάστημα. Δεύτερον, λόγω μιας πιο αργής διαδικασίας καύσης διάχυσης.

Στη μικροβαρύτητα, το οξυγόνο φτάνει στη φλόγα μέσω διάχυσης και όχι αναρρόφησης, όπως στη Γη. Αυτή η αργή ροή οξυγόνου μειώνει σημαντικά τη θερμοκρασία της φλόγας, η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα καυσίμου και οξυγόνου που είναι διαθέσιμα στη φωτιά. Αυτές οι φλόγες όντως αυξάνουν τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος ή παρουσιάζουν μια λαμπερή φλόγα, λόγω της έλλειψης θερμότητας που εκπέμπει φως που εκπέμπει ιονισμένα χημικά είδη που βρίσκονται συνήθως σε καυτές φλόγες.

Το να έχετε μια αργή και χαμηλής θερμοκρασίας φλόγα μπορεί να φαίνεται καλό σημάδι για την ασφάλεια του διαστημικού σκάφους, αλλά είναι ακριβώς το αντίθετο. Η φωτιά στη Γη είναι μια γρήγορη διαδικασία που απαιτεί συνεχή και γρήγορη ροή οξυγόνου για να συνεχίσει να καίει. Αυτό διευκολύνει την έναρξη και ευκολότερη τη διακοπή. Κόψτε για λίγο την παροχή οξυγόνου και η φωτιά σβήνει. Ωστόσο, αυτό δεν συμβαίνει με τις ψυχρές φλόγες. Παρουσία καυσίμου, αυτές οι φλόγες μπορούν να διατηρηθούν για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, ακόμη και με περιορισμένη ροή οξυγόνου.

Συμπέρασμα

Πολύ λίγα είναι γνωστά για τη φύση της φωτιάς σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και σε μέρη εκτός της Γης. Η αποκάλυψη της μυστηριώδους χημείας των δροσερών φλόγων όχι μόνο θα καταστήσει ασφαλέστερα τα διαστημικά ταξίδια, αλλά θα μπορούσε επίσης να μας βοηθήσει να αναπτύξουμε εξαιρετικά αποδοτικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης χωρίς αιθάλη!