miércoles, 31 de julio de 2013

Extrañas llamas a bordo de la Estación Espacial Internacional


Se dice comúnmente que el fuego es el experimento de química más antiguo de la humanidad.

Por miles de años, los humanos han mezclado el aire rico en oxígeno de la Tierra con una casi interminable variedad de combustibles con el fin de producir llamas (o flamas) luminosas y calientes. Hay toda una historia de aprendizaje sobre la combustión, la cual se extiende desde las primeras fogatas que hicieron los seres humanos primitivos hasta los automóviles más avanzados que recorren las supercarreteras del siglo XXI. Los ingenieros estudian cómo se queman los materiales con el propósito de producir mejores motores de combustión interna; los químicos analizan las llamas en busca de reacciones exóticas; los cocineros experimentan con el fuego para preparar mejores comidas.

Uno podría pensar que queda poco por aprender sobre este tema. El Dr. Forman A. Williams, quien es profesor de física en la Universidad de California, en San Diego, estaría en desacuerdo. "Cuando se trata del fuego", dice, "apenas estamos empezando".

Las llamas son difíciles de entender porque son un fenómeno complejo. En la llama común y corriente de una vela ocurren continuamente miles de reacciones químicas. Las moléculas de hidrocarburos de la mecha se vaporizan y se parten debido al calor. Luego, se combinan con oxígeno para producir luz, calor, CO2 y agua. Algunos de los fragmentos de hidrocarburos producen moléculas en forma de anillo llamadas hidrocarburos policíclicos aromáticos, y finalmente, hollín. Las partículas de hollín pueden quemarse también o simplemente esparcirse en forma de humo. La forma de gotita de la llama, que nos es tan familiar, es un efecto causado por la gravedad. El aire caliente asciende y como resultado aire frío es jalado hacia adentro. Esto se llama flotabilidad y es lo que hace que la llama se eleve y parpadee.

¿Pero qué sucede si se enciende una vela, digamos, a bordo de la Estación Espacial Internacional (EEI, por su sigla en idioma español o ISS, por su sigla en idioma inglés)?

"Las llamas arden de manera distinta en microgravedad: forman pequeñas esferas", dice Williams.

Estas esferas incandescentes a bordo de la EEI resultan ser fantásticos mini laboratorios para investigar la combustión. A diferencia de las llamas en la Tierra, que se expanden con avidez cuando necesitan más combustible, las llamas esféricas dejan que el oxígeno venga a ellas. El oxígeno y el combustible se combinan en una zona delgada, en la superficie de la esfera, y no en todo su volumen. Es un sistema mucho más simple.



Hace poco, Williams y sus colegas estaban realizando un experimento a bordo de la EEI llamado "FLEX" (Flame Extinguishing Experiment, en idioma inglés, o Experimento de Extinción de Llamas, en idioma español), el cual busca entender cómo apagar incendios en microgravedad, cuando se encontraron con algo inusual. Pequeñas gotitas de heptano estaban quemándose en la cámara de combustión de FLEX. Las llamas se extinguieron según lo planeado, pero las gotitas continuaron quemándose inesperadamente.

"Eso es correcto: parecen estar quemándose sin emitir llamas", dice Williams. "Al principio, no lo creíamos".

De hecho, Williams cree que las llamas siguen estando allí, solo que son demasiado tenues como para verlas. "Estas son llamas frías", explica.

Una imagen a color de la gotita de combustible quemándose. [Más información (en idioma inglés)]

Generalmente, el fuego visible alcanza altas temperaturas, entre 1500K y 2000K. Las llamas esféricas de heptano a bordo de la EEI estaban inicialmente en este régimen de "fuego caliente". Pero, conforme las esferas de llama se enfriaron y comenzaron a apagarse, se inició un tipo distinto de fuego.

"Estas llamas frías arden a temperaturas relativamente bajas, entre 500K y 800K", dice Williams. "Y su química es completamente distinta. Las llamas normales producen hollín, CO2 y agua. Las llamas frías producen monóxido de carbono y formaldehídos".

Se han producido llamas frías similares en la Tierra, pero se apagan casi inmediatamente. A bordo de la EEI, sin embargo, las llamas frías pueden arder durante largos minutos.

"Estos resultados tienen consecuencias prácticas", agrega Williams. "Por ejemplo, podrían conducir a sistemas de ignición automotrices más limpios".

Una de las ideas que las compañías de automóviles han investigado por años se denomina HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, en idioma inglés, o Ignición de Compresión de Carga Homogénea, en idioma español). En el cilindro de un automóvil, en lugar de una chispa, se produciría un proceso de combustión más suave y menos contaminante en toda la cámara.

"La química de la HCCI involucra química de la llama fría", dice Williams. "El control adicional que obtenemos del proceso de quemado estable a bordo de la EEI nos dará valores químicos más precisos para este tipo de investigación".

En verdad, apenas estamos comenzando.
Créditos y Contactos
Funcionaria Responsable de NASA: Ruth Netting
Editor de Producción: Dr. Tony Phillips
Traducción al Español: Juan C. Toledo
Editora en Español: Angela Atadía de Borghetti
Formato: Juan C. Toledo