巨大な火の玉: 宇宙で炎がどのように振る舞うか

それが人類最古の道具の一つであることを考えると、私たちは火について知っておくべきことはすべて知っていると思うかもしれません。確かに、私たちは多くのことを知っています。炎の基部近くの熱い空気が上昇すると、重力によってより冷たくて密度の高い空気が引き込まれ、代わりに空気が入れられます。この空気の循環によって新鮮な酸素が供給され、炎に特徴的な涙滴の形が与えられます。

しかし、宇宙飛行士が軌道上で経験するような微小重力環境では、すべての賭けは外れます。ここでは、熱い空気は依然として外側に膨張しますが、「上向き」がないため、上向きには移動しません。その代わりに、宇宙の火災は、偶然に偶然入ってくるランダムな酸素分子によってのみ供給されます。

これは分子拡散と呼ばれるプロセスであり、地球上の炎とはさまざまな点で異なる球状の炎を生成します。燃焼がはるかに遅く、長時間続くだけでなく、酸素が少なくても生存し、ほとんどの地上の炎が発する熱の一部である華氏 900 度未満で燃え続けます。

しかし、微小重力下で火がどのように作用するかについては、科学者にもまだ理解されていないことがたくさんあります。特定の物質は他の物質よりも可燃性が高いのでしょうか? 不正な炎を消す最良の方法は何ですか?

これらの質問は、すでに国際宇宙ステーション (ISS) に住んで働いている宇宙飛行士の安全にとって非常に重要であり、人類が長期の宇宙旅行に備えるにつれて、その重要性はさらに高まるでしょう。幸いなことに、NASA の科学者がこの事件に取り組んでいます。

はっきり言っておきますが、この脅威は単なる仮説ではありません。たとえば、1997 年にロシアの宇宙ステーション「ミール」で火災が発生しました。発生源は酸素発生装置で、ステーションのモジュールが有毒な煙で満たされ、生存中の数分間に脱出車両へのアクセスが遮断されました。

宇宙で火災が非常に危険な理由の 1 つは、火災が予測できないことです。重力によって炎が上向きに強制される地上とは異なり、微小重力環境では炎はあらゆる方向に広がる可能性があります。同じことが煙にも当てはまり、宇宙ステーション内（通常、ほとんどの建物の天井）に煙感知器を設置することがはるかに困難になります。

ミールの乗組員はすぐに消火器で誤った炎を消し去り、炎の成長を阻止したが、ガスを使って炎を消す消火器は、宇宙では地上よりも効果が低い。まず、この装置は空気、つまり酸素を火に向けることで、文字通り火の炎を煽ることができる。

結局、酸素発生装置が空になったときにのみ炎は自然に消えました。その後数時間にわたって、ステーションの生命維持システムがミールの大気から煙をすべて除去し、乗組員は自身やステーションの構造物に大きな被害を与えることなく事故を逃れました。

さて、火の挙動に関する知識のギャップを埋めることが明らかに重要であることがわかりました。さて、科学者は具体的にどのようにそれを行うのでしょうか?

2008 年に NASA は燃焼統合ラック (CIR) を作成し、ISS に送りました。微小重力環境で制御された燃焼を安全に操作するために使用されるそのハードウェアには、26 ガロンの燃焼室と 5 つの異なるカメラが含まれており、過去 15 年間にわたる数千回のテストで有効に活用されてきました。

これらのテストの多くは、約 1 年後に開始された消火実験 (FLEX) の一部でした。名前が示すように、これらは宇宙での火災を消し、最終的には将来の宇宙船の消火システムを改善することを中心に展開していました。 CIR の助けを借りて、ISS に搭乗している研究者はヘプタンまたはメタノール燃料の小さな液滴に点火し、結果を記録します。

NASAグレン研究センターの科学者ダニエル・ディートリッヒ氏は政府に対し、「微小重力プログラムだけでなく、おそらく過去20年から30年の燃焼研究の中で最大の発見の一つは、宇宙船のFLEX実験中にあった」と語った。宇宙ステーション。」

問題の発見は？特定の液体燃料は宇宙で消滅した後、自然に再点火します。このような場合、その後に発生する炎は「冷たい炎」と呼ばれ、より低い温度で燃え、肉眼では見えません。

科学者たちはなぜこれが起こるのか正確にはわかっていませんが、実用的な観点から、このような低温燃焼を使用して、地球上のディーゼルエンジンで生成される大気汚染物質を減らすことができると仮定します。私たちはその現実からはほど遠いですが、2021年6月に実施された研究では、液体燃料ではなく気体燃料を使用してこの現象が繰り返され、さらに大きな飛躍を遂げました。

しかし、おそらく、宇宙での炎を研究する最も良い点は、重力の欠如により、さまざまな点で物事が単純になることです。たとえば、コーヒーテーブルの上のキャンドルは、浮力による不安定性の結果としてちらつくことがありますが、微小重力ではこれは当てはまりません。

NASA のもう 1 つの研究シリーズである微小重力実験による先進的燃焼実験 (ACME) では、これを利用して、良い炎、つまり効率的でありながらすすのような汚染物質を大量に放出しない炎の作り方を詳しく掘り下げました。 ACME は 2017 年から 4 年以上にわたり、CIR 内の 1,500 件以上の炎上を精査しました。

NASA の研究の次のステップは、SoFIE (固体燃料の点火と消滅) です。この一連の実験は2022年2月にISSに打ち上げられ、2025年まで継続される予定で、政府が「宇宙服、客室、居住地」に最適な難燃性の素材と設計を選択するのに役立つだろう。

プレキシガラスや綿ベースの生地など、さまざまな素材がテスト対象として並んでいます。その後、SoFIE の結果は、月、火星、または太陽系の他の場所など、微小重力環境以外の環境で同じ物質がどのように燃焼するかを予測する数学的モデルにも適用される予定です。

しかし、私たちはそこにとどまりません。その結果が、私たちの家、オフィス、航空機の防火素材を刷新する可能性があるのであれば、地球に戻ってもその成果を感じることができるでしょう。これはNASA版の火で火を消すと言えるかもしれません。