冷たい炎は、微小重力環境で発生する青い球状の炎です。それらは制御された酸素の流れによって生成され、煤を生成しません。
私たちの祖先が火を発見してから数千年。それでも、キャンプファイヤーの危険な炎が舞い踊る様子に、思わずうっとりしてしまいます。火の発生と制御は、人類が実践した最も古い化学形態の 1 つであり、何世紀にもわたって、火が大地でどのように振る舞うかについての基本的な理解が形成されてきました。限界を押し広げようとする私たちの果てしない探求の中で、何人かの人々は「この世界から」火を取り、それがどのように振る舞うかを見ることに決めました.
2012 年、国際宇宙ステーションに搭乗した宇宙飛行士が火災を起こしました。火炎消火実験 (FLEX) を通じて、科学者はそれまで理論に過ぎなかった何かを観察しました。ヘキサンの液滴は酸素の存在下で着火し、燃焼室内では青色で球形の冷たい 炎が形成されました。しかし、炎はどのように冷やすことができるのでしょうか?そして、なぜ彼らを初めて観察するために宇宙に行かなければならなかったのでしょうか?調べてみましょう!
冷炎の化学
何かが燃えているときに炎が発生し、その周りのガスが過熱して輝き始めます。火のレシピは非常にシンプルで、必要な材料は酸素、燃料、熱の 3 つだけです。この基本的な関係は、「ファイア トライアングル」としても知られています。
火の三角形 (写真提供:Luciano Cosmo/Shutterstock)
地球人として、最初の成分である酸素についてあまり心配する必要はありません。私たちの惑星には、常に約 1 兆 2000 億トンの酸素ガスが存在しています。生命を維持することは別として、この酸素が豊富な環境は、火を起こすのに最適な条件を提供します。
次に、酸素の存在下で燃焼し、その過程でエネルギーを放出する物質である燃料に移ります。技術的には、私たちの周りにあるものはすべて燃料であり、十分な温度に達すると発火します。ただし、石炭、石油、ヘキサンなど、可燃性または低火点の材料を燃料として使用することを好みます。
火の燃焼には、燃焼として知られる単純な化学プロセスが含まれます。このプロセス中に、燃料は酸素と結合して、光と熱の形でエネルギーを放出するいくつかの化学反応を起こします。ただし、燃料が酸素と反応できるのは、発火温度を超えたときだけです。この温度に到達して燃焼プロセスを開始するために必要な余分なエネルギーは、外部の熱源によって提供されます。たとえば、コンロを点火するための熱源は電気の火花ですが、マッチ棒の場合は、マッチ箱のテクスチャ パネルに対するマッチの頭の摩擦です。
冷たい炎は、燃料として使用される炭化水素が酸素の存在下で点火されると燃焼を開始するという、まったく同じ化学反応に従います。また、いいえ、これらの炎は物を溶かす代わりに凍らせません。これらの炎の温度は非常に低いため、「冷たい炎」と呼ばれます。平均的な調理用コンロは約 1700 ⁰C の炎を生成しますが、冷たい炎の温度は 400 から 600⁰ C の範囲です。
冷たい炎の何がそんなにユニークなの?
ISS で観測された冷たい炎は球形で、通常の状態で地球上で再現することはほとんど不可能です。
宇宙燃焼実験で観測された球状の炎（写真提供：Nasa.gov）
私たちのほとんどは気づいていないかもしれませんが、地球上で火がどのように振る舞うかには、重力が大きな役割を果たしています。ここで火が灯されると、周囲の空気/ガスの柱が加熱されます。対流のおかげで、密度の低い高温ガスが上昇し、より冷たくて新鮮な空気を吸い込んで火を持続させます。軽い熱いガスと重い冷たい空気の間のこの押し引き効果により、炎の独特の涙滴形が生じます。宇宙では、球状の炎を説明する密度勾配を作成する重力はありません。
球状の炎も酸素供給を補充できません。ファンなどの外部レギュレータを使用して、火を供給します。この制御された酸素の流れにより、かすかな青色の炎が発生し、燃料が完全に燃焼して一酸化炭素とホルムアルデヒドが形成され、すすが残りません。自己持続的な地絡火災の場合、炎の特性はわずかに異なります。
ろうそくの炎を注意深く観察すると、外側の青い炎と内側の黄色い炎の 2 種類の炎を見つけることができます。この理由は、酸素含有量と温度の違いです。炎の外側の青い領域は、周囲から新鮮な空気が入ってくるため、酸素濃度が最も高くなります。これにより、燃料 (ほとんどが炭素ベース) が完全に燃焼し、副産物として二酸化炭素と水のみが生成される炎の最も高温の領域になります。
一方、黄色の領域は温度が低く、酸素レベルも低い。これにより、燃料が不完全燃焼し、二酸化炭素と水とともに「すす」と呼ばれる未燃焼の炭素粒子が形成されます。これらの煤の粒子は火によって活性化され、炎に典型的な黄色を与えます.
ろうそくの炎のさまざまな領域。 (写真提供:ゆるいネクタイ/ウィキメディア・コモンズ)
あまり一般的ではありませんが、完全に青い炎は地球上で作成できます。あなたがしなければならないのは、火に十分な酸素を向けることだけです.ブンゼン バーナーや溶接トーチなどの機器は、酸素と燃料の流れを慎重に調整することで、ほぼ完全に青い炎を生成します。
宇宙の炎を冷やすものは何ですか?
第一に、彼らは宇宙で照らされていたからです。第二に、拡散燃焼プロセスが遅いためです。
微小重力下では、酸素は地球のように吸引ではなく、拡散によって炎に到達します。このゆっくりとした酸素の流れは、火に利用できる燃料と酸素の量に大きく依存する炎の温度を大幅に低下させます。これらの炎は、周囲の温度を上昇させたり、明るい炎を提示したりします。これは、熱い炎で一般的に見られる、発光するイオン化された化学種を放射する熱がないためです。
低速で低温の炎を持つことは、宇宙船の安全性にとって良い兆候のように思えるかもしれませんが、それはまったく逆です。地球上の火は急速なプロセスであり、燃え続けるために酸素の絶え間ない急速な流れが必要です。これにより、開始しやすく、停止しやすくなります。しばらく酸素の供給を遮断すると火が消えます。ただし、クールな炎の場合はそうではありません。燃料が存在する場合、これらの炎は、酸素の流れが限られていても、非常に長い時間持続することができます.
結論
低温や地球以外の場所での火災の性質については、ほとんどわかっていません。冷たい炎の神秘的な化学を解明することは、宇宙旅行をより安全にするだけでなく、煤のない非常に効率的な内燃エンジンの開発にも役立つでしょう!
