להבות מוזרות בתחנת החלל

ניסוי שערכו האסטרונאוטים בתחנת החלל עבור מדענים שביקשו ללמוד כיצד לשלוט באש. התהליך שגילו יאפשר בניית מערכות התנעה יעילות יותר לרכב

האש היא כידוע הניסוי הכימי העתיק ביותר. במשך אלפי שנים אנשים עירבבו את האוויר העשיר בחמצן עם מבחר אינסופי של דלקים ויצרו להבות חמות ומאירות לשימושים שונים – החל מהמדורות הקדמוניות של בני האדם הפרימיטיביים ועד לכלי הרכב המודרניים הנוסעים באוטוסטרדות של המאה ה-21.

המהנדסים למדו אודות הבעירה כדי לייצר את מנוע הבעירה הפינמית. כימאים חקרו את הלהבות בחיפוש אחר תגובות כימיות אקזוטיות; שפים ערכו ניסויים באש כדי לבשל אוכל טוב יותר.

הייתם סבורים שאין עוד מה ללמוד על האש ואולם ד”ר פורמן ויליאמס, פרופ’ לפיסיקה באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו לא מסכים. “כאשר מדובר באש”, אמר, “אנו רק בנקודת ההתחלה”.

קשה להבין מה קורה בלהבות משום שהן מורכבות. בבערה פשוטה של נר מתרחשות אלפי ריאקציות כימיות. מולקולות פחמימנים (הידרוקרבונים) מהפתיל מתאדות ומתפרקות בחום. הם מתרכבים עם החמצן ויוצרים אור, חום, דו תחמוצת הפחמן ומים. כמה משברי הפחמימנים יוצרים מולקולות דמויות טבעת המכונות פחמימנים רב-טבעתיים ארומטיים (polycyclic aromatic hydrocarbons) ובסופו של דבר, פיח. חלקיקי הפיח יכולים בעצמם לבעור או פשוט להסחף החוצה כעשן. תצורת הדמעה המוכרת של הלהבה מושפעת מכוח המשיכה. אוויר חם עולה למעלה ומשאיר אוויר קר מאחוריו. התופעה מכונה “עליצות”) buoyancy (והיא הדבר שגורם לפיח לעלות למעלה ולרעוד.

ואולם מה מתרחש כאשר מדליקים נר, למשל, בתחנת החלל הבינלאומית? במיקרו כבידה, הלהבות בוערות בצורה מעט שונה – הם יוצרים כדורים קטנים” אומר ויליאמס.

כדורי אש בתחנת החלל נוטים להיות מיני-מעבדות מצוינות למחקרי בעירה. שלא כמו להבות על כדור הארץ, המתרחבות באופן חמדני כשהן דורשות עוד ועוד דלק. כדורי הבעירה מאפשרות לחמצן להגיע אליהם. חמצן ודלק מתחברים באיזור צר על פני השטח של הכדור, לא קרוב יותר ואז עובר דרך הלהבה. מדובר במערכת פשוטה בהרבה.

לאחרונה ביצעו ויליאמס ועמיתיו ניסוי המכונה FLEX בתחנת החלל הבינלאומית במטרה ללמוד כיצד להצית אש במיקרו כבידה והם ראו דבר מוזר: כמה טיפות של הפחמימנים המכונים בשם הפטאנים (heptanes) בערו בתוך תא הבעירה של מתקן FLEX. כמתוכנן, הלהבות נכבו, אך שלא כצפוי, טיפות הדלק המשיכו לבעור.

“נראה שהם המשיכו לבעור בלי להבות” אומר ויליאמס. “בתחילה לא האמנו לכך בעצמנו”. למעשה ויליאמס מאמין כי הלהבות היו שם, אך הן היו חוורות מכדי להיראות. “נכנה אותן להבות קרות” הוא מסביר.

בדרך כלל אש הנראית לעינינו בוערת בטמפרטורות גבוהות שבין 1,500 ל-2,000 מעלות קלוין (מעלות קלווין זהות למעלות צלזיוס, אך הן מתחילות מהאפס המוחלט 273.15 מתחת לאפס). כדורי להבות ההפטאן בתחנת החלל החלו באיזור “האש החמה” ואולם ככל שכדורי הלהבה התקררו והחלו לדעוך, הופיעה סוג חדש של בעירה.

“להבות קרות בוערות בטמפרטורה נמוכה יחסית של 500-800 מעלות קלוין” אומר ויליאמס. “הכימיה שלהם שונה לחלוטין. להבות נורמליות מיצרות פיח, דו תחמוצת הפחמן ומים. להבות קרות מיצרות חד תחמוצת הפחמן ופורמלדהידים.”

ניתן לייצר להבות קרות על כדור הארץ, אך הן מתחלות לרעוד כמעט מיד. על תחנת החלל, להבות קרות יכולות לבעור במשך דקות ארוכות. “ישנן השלכות מעשיות לתוצאות מחקר זה” אומר וליאמס. “לדוגמה אפשר להעזר בהן כדי לתכנן מערכות הצתה נקיות יותר לרכב”.

אחד הרעיונות שיצרני הרכב החלו לפתח מזה שנים הוא “הצתת דחיסה עם תערובת הומוגנית” (HCCI – ראשי תיבות של “homogeneous charge compression ignition.” ). במקום ניצוץ בצילינדר של הרכב יופעל תהליך בעירה עדין ופחות מזהם בתוך התא.”

“הכימיה של ה-HCCI כוללת בתוכה התייחסות לכימיה של הלהבות הקרות” אומר ויליאמס. “השליטה הנוספת שאנו מקבלים מהבעירה היציבה בתחנת החלל יתן לנו עוד ערכים כימיים מדויקים לסוג זה של מחקר”.

ואכן התהליך רק הותנע.

לידיעה באתר נאס”א

סרטון חדש של נאס”א בסדרת ScienceCast חוקר את ההתנהגות המפתיעה של “להבות קרות” בתחנת החלל הבינלאומית.