Fiamme in microgravità: NASA FLEX

NASA Flame Extinguishment Experiment: fiamme in microgravità

Fondamentalmente gli astronauti non sono dei piromani. Eppure, sulla Stazione Spaziale Internazionale, si compiono numerosissimi esperimenti sulla combustione di varie sostanze: solide, liquide e gassose. L’obiettivo è quello di scoprire come si comportano le fiamme in microgravità.

Ma perché è così importante sapere come si comporta una fiamma in assenza di peso?

Per rispondere alla domanda, è necessario avere chiaro che una combustione avviene quando sono presenti un combustibile, sostanza infiammabile,  un comburente, ovvero una sostanza ossidante (generalmente ossigeno), e un innesco che apportI calore al sistema.

I prodotti ottenuti sono anidride carbonica, acqua e calore.

Messa così, anche se esistono migliaia di reazioni di combustione, è piuttosto semplice. Tuttavia, sulla Terra, la combustione è ancora un procedimento piuttosto complesso da osservare nei particolari.

Questo perché alcuni fattori, ad esempio la gravità o il differenziale di temperatura tra fiamma e gas ambientale, possono oscurare alcuni importanti processi fisici e chimici e limitare la controllabilità della combustione stessa, inficiando le osservazioni.

Per comprendere bene la prepotente influenza della gravità, basti pensare ai gradienti di densità delle fiamme. La temperatura media di una fiamma è di circa 2700°C, mentre quella ambientale, pur variando molto, oscilla tra i 20 e i 27°C. Ciò produce un gradiente di densità. L’aria calda, più leggera, grazie alla gravità risale verso l’alto e tale flusso instabile causa lo sfarfallio tipico delle fiamme.

A bordo della ISS è possibile spogliare le osservazioni sulla combustione dalle ingerenze della gravità, estrapolandone le dinamiche.

Trovo significativo il fatto che, sulla Terra, sia facile compiere esperimenti sulle fiamme, ma difficile svelarne tutte le caratteristiche e, a bordo dell’avamposto umano nello Spazio, sia molto complesso eseguire tali sperimentazioni, ma più facile osservarne le peculiarità.

 

Flame Extinguishment Experiment (FLEX)

Dal 2009, il programma FLEX di NASA ha condotto oltre 200 esperimenti per studiare il comportamento delle fiamme in microgravità.

Uno degli obiettivi è stato quello di studiare le goccioline di eptano e metanolo, in miscele ambientali di ossigeno e azoto, a cui viene aggiunto un secondo gas inerte (azoto, anidride carbonica, elio o xenon). La domanda chiave degli studiosi è: in che modo l’aggiunta di un gas inerte, che si comporta da soppressore, influenza il limite di infiammabilità dei due combustibili?

La risposta a questa domanda consente di capire come l’assenza di gravità possa influenzare i limiti di infiammabilità di diverse sostanze a bordo della ISS.

Tutto ciò in relazione alla sicurezza antincendio.  Le fiamme in microgravità bruciano ad una temperatura più bassa, con meno velocità e meno ossigeno. Ecco perché i normali estintori terrestri sono poco efficienti lassù in orbita: le sostanze che estinguono il fuoco devono trovarsi in concentrazione maggiore.

Per aggiungere un po’ di sfiga, c’è da dire che le ventole dell’aria, che garantiscono agli astronauti un ricambio della stessa, potrebbero aggravare la situazione, facendo bruciare le fiamme più velocemente.

Ma compiendo questi esperimenti, avviene anche qualcosa di tuttora inspiegabile.

Incendiando una goccia di eptano o metanolo, si nota che la stessa, mentre brucia, viene inglobata da una fiamma sferica. Poi la goccia si restringe fino allo spegnimento, ma, apparentemente, alcune goccioline di combustibile continuano a bruciare in determinate condizioni.

Nel video qui sotto, potete vedere uno degli esperimenti compiuti nell’ambito FLEX.

No, non è magia e gli studi sono ancora in corso per capire la complessa cinetica delle fiamme in microgravità.

Infatti, il programma FLEX è poi confluito in FLEX-2, in collaborazione con altri Paesi, Italia inclusa.

 

Flame Extinguishment Experiment-2 (FLEX-2)

Nel secondo programma FLEX, gli scienziati hanno reso le cose più semplici, utilizzando la matematica…

Anche in questo caso l’obiettivo è quello di studiare il comportamento di goccioline di combustibile.

A 0g, come abbiamo visto, le fiamme hanno una forma di sfera simmetrica. Cosa che, chiaramente, non è possibile ottenere sulla Terra. Avere una forma simile consente di semplificare i calcoli matematici per modellare i processi di combustione. Ciò perché una simmetria sferica ha solo una dimensione spaziale.

I nostri amici della NASA hanno preso così tanto gusto nel fare calcoli matematici per studiare la cinetica delle fiamme in microgravità che hanno creato un’indagine apposita: “Fundamental studies in droplet combustion and flame extinguishment in microgravity“.

In questa indagine sono stati approfonditi diversi fenomeni, che possiamo ordinare in quattro tipi differenti:

  1. Esperimenti di combustibile puro.
  2. Esprimenti sulle miscele di combustibile.
  3. Esperimenti di flusso convettivo.
  4. Esperimenti binari sulle goccioline di combustibile.

E quali sono le applicazioni spaziali?

Gli esperimenti del programma FLEX-2 misurano gli accumuli di fuliggine, calore delle fiamme, velocità di combustione dei vari carburanti e miscele di questi.

In generale, capire come bruciano i combustibili in microgravità migliorerebbe l’efficienza dei combustibili destinati alle navicelle per missioni interplanetarie, riducendo peso e costi.

Dalle fiamme in microgravità alle applicazioni terrestri

Uno degli interrogativi di chi, forse anche in buonafede, sugli esperimenti a bordo della Stazione Spaziale Internazionale è piuttosto scettico è:

ma perché non risolvere problemi come la fame nel mondo, invece di spendere soldi per applicazioni così distanti?

Perché le cose non stanno così.

Una maggiore conoscenza della combustione migliorerebbe i carburanti per veicoli e aeromobili, producendo miscele più efficienti e quindi più rispettose dell’ambiente. Immaginate sostanze che, bruciate insieme, producano meno fuliggine.

Quest’ultima è il risultato di una combustione incompleta di un idrocarburo ed è notoriamente dannosa per la salute umana, oltre che per l’ambiente. Studiare la dinamica della fuliggine sotto gli effetti della gravità non offre certo la visione della stessa dinamica in microgravità.

L’Italia ha avuto la possibilità di fare ricerca sui biocarburanti e sulle energie rinnovabili grazie all’accordo bilaterale con gli USA. Ecco che “The Italian Combustion Experiment for Green Air” ci ha visto protagonisti in prima fila per un tema di ricerca così etico.

Insomma, se un domani guideremo veicoli meno inquinanti e avremo città più pulite, sarà anche merito di chi fa ricerca spaziale.

 

P.S. Gli esperimenti sulla combustione sono centinaia e i risultati sono davvero interessanti. Lascia un commento se ti va di leggere altri interessanti approfondimenti!

 

FONTI:

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/explorer/Investigation.html?#id=470

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/FLEX_Video.html

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20120015928.pdf

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/np-2015-10-034-jsc_combustion_in_reduced_gravity-iss-mini-book-011116-508.pdf

 

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