آتش در فضا

[ماتینا 4434]

یکی از پرجاذبه‌ترین دلایل سفر به فضا برای بسیاری موضوع تجربه لذت بی‌وزنی است.بی وزنی اما علاوه بر جاذبه٬ مشکلاتی نیز برای زندگی از نوعی که ما می‌شناسیم به وجود می‌آورد.یکی از این موضوعات٬ بحث رفتار آتش در فضا و چگونگی پخش آن در محیطی است که همه چیز شناور می‌شود.

 

 

آتش در فضا مانند همزاد زمینی خود هم می‌تواند مفید باشد و هم بلای جان. اصولا با اینکه بیش از ۵۰ سال از آغاز عصر فضا می گذرد، هنوز هم نیروی اصلی پیشران در فضا از سوختن دو ماده شیمیایی در کنار هم تامین می‌شود. از این رو افزایش علم و دانش بشر به احتراق و سوختن مواد در فضای ماوراء جو، جایی کهبی وزنی حکمفرماست برای آینده سفرهای فضایی بشر واجب و ضروری است. از دیگر سو امروزه در هر لحظه حداقل شش فضانورد در فضا زندگی می‌کنند. ایستگاه بین‌المللی فضایی که تا همین اواخر و قبل از ارسال ایستگاه فضایی چینی‌ها تنها مقصد مداری انسان محسوب می‌شد، همیشه شاهد حضور انسانهای شجاعی در عرشه خود است که برای بقا به اکسیژن نیاز دارند. وجود اکسیژن در یک کابین فضایی که مملو از سیم‌های برق فراوان در دیواره‌های خود است و وجود مواد قابل احتراق فراوانی که اطراف آنها را دربرگرفته است، شرایط بسیار عالی و بی‌نظیری برای یک فاجعه آتش‌سوزی را در دل نهفته دارد. این هم دومین دلیل مهم برای مطالعه فرایند احتراق در فضا و در شرایط بی وزنی است.

 

 

اینجا و روی زمین که گرانش وجود دارد، آتش باعث گرم و در نتیجه سبک شدن هوا می شود. هوای گرم و سبک بالا می رود و هوای سرد و تازه که مملو از اکسیژن است، جای آن را اشغال می نماید. همین موضوع ساده باعث شعله‌ور شدن آتش می‌شود. اما در داخل یک کابین فضاپیما و در فضا، جایی که بی وزنی حاکم است و بالا و پایینی وجود ندارد، قطعا فرآیند سوختن مواد باید فرم متفاوتی داشته باشد.

 

شعله اساسا محصول قابل دیدن یک فرایند شیمیایی گرماده است. مفهوم این حرف این است که وقتی دو ماده در شرایط خاصی با هم ادغام شوند و در نتیجه آن گرما تولید شود٬ می‌توان انتظار دیدن شعله آتش را داشت. از نظر فیزیکی شعله حالت چهارمی از ماده است که آن را پلاسما می‌نامند. پلاسما مخلوط گازی است که در اثر حرارت بسیار یونیزه شده و اتمهای گاز، یک یا تعدادی از الکترون‌های خود را از دست داده و یا آنها به لایه‌‌های بالاتری از سطح انرژی منتقل شده‌اند.در چنین حالتی چنانچه اتمهای برانگیخته شده فرصتی برای برگشتن به حالت عادی خود پیدا کنند٬ نوری از خود ساطع خواهند کرد که رنگ آن بستگی به میزان برانگیختگی اولیه آنها٬ دمای شعله٬ جنس سوخت٬ وجود میزان کافی اکسیژن و یا هر اکسیدکننده دیگر و پارامترهای فراوان دیگری دارد.

 

 

اما شعله‌ها در زمین غیر از رنگ مسحور کننده٬ شکل خاطره‌انگیز و رقص به یادماندنی نیز دارند. شاید تعجب کنید اگر بدانید که این همه به گرانش ربط دارد. وقتی شعله‌ای در ریشه آتش شکل می‌گیرد٬ دمای محیط اطراف خود را گرم می کند. هوای گرم٬ منبسط شده و سبک می‌شود و به طبعیت از قانون شناوری بالا می رود و جای خود را به هوای سرد سنگین‌تر می‌دهد. هوای سرد که اتفاقا سرشار از اکسیژن است آتش را شعله‌ورتر ساخته و این فرآیند تکرار می‌شود. همین آمد و شد هوا تازه باعث می‌شود که همواره در کنار منبع آتش٬ جریانی از هوا به سمت بالا وجود داشته باشد. همین جریان هوای بالا رونده است که شکل کاج مانند و لرزان شعله را ممکن می‌سازد.

 

اما در مدار زمین و جایی که شرایط میکروگرانشی بر کشتی فضایی و سرنشینان آن حاکم است٬ قوانین همرفت گرمایی و شناوری سیالات دیگر حکمفرما نیست٬ چراکه این قوانین اصالتا بر پایه وجود گرانش استوار هستند. از این رو جریان بالارونده‌ای که ذکرش رفت وجود نخواهد داشت و شعله در فضا به شکل کره در خواهد آمد. کره آبی کم فروغ و کم حرارتی که آن را شعله سرد نیز می نامند. یک شمع در زمین هنگام سوختن حدود ۱۰۰ تا ۲۰۰ وات انرژی اعم از گرمایی و روشنایی تولید می‌کند. در مقایسه همین شمع در فضا و در بهترین شرایط تنها قادر به تولید ۲ تا ۳ وات انرژی است. اما شعله‌های فضایی از یک نگاه بی‌نظیرند. شعله‌های یک آتش فضایی کامل‌ترین و پاک‌ترین شعله‌هایی هستند که ما می‌شناسیم.

 

شعله‌ها در فضا می‌توانند بسیار کم فروغتر و کم انرژی تر از شعله‌های زمینی باشند و این بدان مفهوم است که در صورت ایجاد یک آتش‌سوزی در فضا٬ چند شعله کوچک سرگردان که سرگرم سوزاندن قطراتی از مثلا یک قطعه پلاستیک ذوب شده هستند٬ می‌توانند از محل اصلی آتش سوزی جدا شده و معلق٬ در فضای داخلی فضاپیما این طرف و آن طرف بروند و در حالی که فضانوردان سرگرم خاموش کردن آتش اصلی هستند٬ در جایی دیگر از فضاپیما مقدمات یک آتش‌سوزی دیگر را ایجاد نمایند. به همین دلیل است که مطالعه و بررسی علمی پدیده آتش‌سوزی در فضا اهمیت بسیار دارد.

 

 

 

الان نزدیک به سه سال است که یک استاد دانشگاه از مدرسه مهندسی ژاکوب در دانشگاه کالیفرنیا به نام فرمن ویلیامز مشغول مطالعه روی فرآیند احتراق در ایستگاه بین‌المللی فضایی است. اما نکته جالب در مورد این پرفسور این است که حتی برای یک بار هم به فضا سفر نکرده است. همه این آزمایش‌ها از مرکز تحقیقات فضایی جان گلن و به صورت کنترل از راه دور صورت می‌گیرد.پرفسور فرمن ویلیامزتجهیزات آزمایشگاهی این پژوهشگر و همکارانش در ماژول دستینی ایستگاه بین‌المللی فضایی و به عنوان بخشی از مجموعه آزمایشگاهی احتراق در بی وزنی قرار دارند. در این آزمایشگاه کنترل از راه دور محفظه احتراقی وجود دارد که می تواند شرایط اتمسفری مختلفی را تولید و قطراتی از مواد گوناگون آتش گرفته را به عنوان سوخت در آن رها نماید.

 

 

انجام آزمایشات مختلف در این آزمایشگاه فضایی کنترل از راه دور که FLEX نامیده می‌شود٬ نشان داد که بی وزنی باعث می شود تا قطره سوخت مورد نظر در داخل محفظه احتراق معلق باقی مانده و با توجه به شرایط گازی داخل محفظه احتراق آنقدر بسوزد تا تمام شود.

 

دانشمندان با این تجهیزات آزمایشگاهی واقع در عرشه ایستگاه بین‌المللی فضایی قصد دارند که دانش خود را درباره چگونگی احتراق در شرایط بی وزنی ارتقا دهند تا ضمن افزایش توانایی‌های بشر برای جلوگیری از وقایع ناخوشایند، بتوانند حداکثر بهره ممکن را نیز از قطره قطره سوخت خود در مدار زمین و یا مسیر سفر به مریخ کسب نمایند.

 

ویلیامز و همکارانش تلاش دارند تا با رها کردن قطره ای از سوختهای مختلف در شرایط آزمایشگاهی دریابند که مرز خاموش شدن یا شعله ور شدن یک قطره سوخت تا چه حد به وجود اکسیژن و دی اکسید کربن وابسته است.

 

از آنجاییکه سیستمهای اطفای حریق در ایستگاه بین‌المللی فضایی از دی اکسید کربن برای مبارزه با آتش استفاده می کنند، نتایج این آزمایشها می‌تواند برای فضانوردان نوید ناو فضایی امن‌تری را بدهد. البته این اولین باری نیست که پدیده آتش در فضا بررسی می‌شود. قبلا هم ویلیامز یک آزمایشگاه فضایی به نام Spacelab طراحی کرده بود و آن را در محفظه بار شاتل فضایی راهی مدار زمین نموده بود.

 

ویلیامز از وقتی دانشجوی مقطع کارشناسی بود عاشق مطالعه پدیده آتش گردید. یک روز که او طبق معمول سر کلاس نشسته بود٬ استادش معادلات حاکم بر احتراق را روی تابلو نوشت. ویلیامز که پیچیدگی این پدیده را فهمید با خود فکر کرد که می‌تواند عمری از آتش نان به دست آورد و اینچنین شد که زندگی حرفه‌ای آتشینی برای خود برگزید.

 

 

یک کپسول آتشنشانی روسی که از فوم بر پایه آب برای خاموش کردن آتش استفاده می‌کند. سایر کپسول‌های آتشنشانی بر پایه دی‌اکسیدکربن ساخته شده‌اند.

 

دور اول تحقیقات ویلیامز در فضا سال گذشته و پس از دو سال آتش بازی در فضا پایان یافت٬ اما او بیکار ننشست و فورا طرح جدیدی برای ناسا فرستاد تا دور دوم آزمایشات در ایستگاه بین المللی فضایی را از سال جاری آغاز نماید.

 

 

تست شعله شمع در آزمایشگاه سقوط آزاد. به محض رها شدن محفظه آزمایش و شروع حرکت سقوط آزاد٬ شعله شمع تغییر حالت داده و انرژی احتراقی آن به شدت کاهش می‌یابد.

 

 

 

. شهرام یزدان‌پناه، پژوهشگر٬ نویسنده و مدرس دانش و فناوری فضایی

 

منبع:آویا