Weltraumverbrennungsexperiment „Feuer mit Feuer bekämpfen“ – Warum ist Feuer im Weltraum so spannend?

Im Februar dieses Jahres führte der Verbrennungswissenschaftsexperimentschrank im Mengtian-Labormodul der chinesischen Raumstation erfolgreich sein erstes Zündexperiment im Orbit durch. Bei diesem Experiment wurde Methan als Brennstoff verwendet. Die beiden Zündexperimente dauerten insgesamt etwa 30 Sekunden. Dadurch wurden die Vollständigkeit der Systemfunktionen des Verbrennungswissenschaftsexperiments der Raumstation sowie die Genauigkeit und Wissenschaftlichkeit des gesamten Versuchsablaufs bestätigt und eine gute Grundlage für nachfolgende Verbrennungsexperimentprojekte im Bereich der Weltraumforschung gelegt. Was sind also die Merkmale der Mikrogravitationsverbrennung im Weltraum? Welchen Zweck hat die Durchführung von Verbrennungsexperimenten in der Mikrogravitationsumgebung des Weltraums?

Bild der Methanverbrennung im Experimentierschrank für Verbrennungswissenschaften auf der Raumstation (links) und Bild der Methanverbrennung unter den gleichen Bedingungen am Boden (rechts). Foto: Institut für Technische Thermophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Verbrennungsenergiezentrum der Universität Tsinghua

Verbrennungsexperimente in der Mikrogravitation laufen seit einem halben Jahrhundert

Die Universität Tokio in Japan führte als erste Universität Experimente zur Verbrennung in der Schwerelosigkeit durch. Dort wurden Freifallanlagen wie Falltürme für Experimente zur Tröpfchenverbrennung eingesetzt. Anschließend führten die Vereinigten Staaten auch eine Reihe von Mikrogravitations-Verbrennungsexperimenten mit Falltürmen und Flugzeugen in der Schwerelosigkeit durch.

Im Jahr 1967 brach im Raumschiff Apollo 1 ein Feuer aus, bei dem drei Astronauten ums Leben kamen. Dies hat dazu geführt, dass die Luft- und Raumfahrtindustrie dem Brandschutz bei Raumfahrzeugen große Aufmerksamkeit schenkt und auch die Sicherheit von Verbrennungsexperimenten in der Schwerelosigkeit immer mehr Beachtung findet.

Im Jahr 1974 führten die Vereinigten Staaten auf der Raumstation Skylab das erste Verbrennungsexperiment der Menschheit unter Mikrogravitation im Weltraum durch. Während der Space-Shuttle-Ära führten die Vereinigten Staaten weiterhin Verbrennungsexperimente in der Schwerelosigkeit durch, um die Prozesse der Flammenentzündung, Selbstentzündung, Ausbreitung und Vernichtung im Weltraum zu untersuchen.

Mit dem Bau und der Fertigstellung der Internationalen Raumstation haben die Vereinigten Staaten, die ESA und Japan Verbrennungsexperimente in der Schwerelosigkeit durchgeführt und dabei den integrierten Verbrennungsschrank und andere Geräte der Raumstation verwendet. Sie haben eine Reihe von Experimenten durchgeführt, beispielsweise Verbrennungsexperimente zur Luftreinigung, Experimente zur Löschung der Feststoffverbrennung, Experimente zur Flammenlöschung und Experiment 2, Experimente zur Flammenstruktur und zum Flammenauftrieb, Experimente zur Rauchmessung und Verbrennungsrate, Flammendiffusion, sphärische kalte Flammen usw. Diese Studien haben das menschliche Wissen und Verständnis des grundlegenden Verbrennungsprozesses von Flammen erweitert und fruchtbare Forschungsergebnisse erzielt.

Im Jahr 2006 schloss der von meinem Land gestartete Weltraumtestsatellit Shijian-8 erfolgreich zwei Verbrennungsexperimente ab und war damit die erste Serie von Verbrennungsexperimenten im Weltraum unter Mikrogravitation in meinem Land. Im Jahr 2016 startete mein Land den bergbaren wissenschaftlichen Experimentalsatelliten Shijian-10, der auch Verbrennungsexperimente in der Mikrogravitation durchführte, darunter Forschungen zur Kohleverbrennung und zu den Schadstoffbildungseigenschaften unter Mikrogravitation sowie Forschungen zu den Zünd- und Verbrennungseigenschaften nichtmetallischer Materialien in einer Mikrogravitationsumgebung.

Nach dem Start des Mengtian-Labormoduls der chinesischen Raumstation hat das unabhängige Verbrennungsexperimentkabinett eine solide Grundlage für mein Land geschaffen, um Verbrennungsexperimente unter Mikrogravitation im Weltraum durchzuführen.

Das Verbrennungsexperiment weist besondere Merkmale auf

Die durch eine Flamme dargestellte Verbrennungsreaktion ist der Grundstein der modernen Zivilisation. Ein tieferes Verständnis des Verbrennungsprozesses ist für die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen von großer Bedeutung.

Flammen mögen einfach aussehen, doch die Verbrennung ist in Wirklichkeit ein sehr komplexer Prozess, der Chemie und Strömungsmechanik einbezieht. Dass die Schwerkraft einen großen Einfluss auf den Verbrennungsprozess hat, ist schon lange bekannt. Wenn der Einfluss der Schwerkraft auf den Verbrennungsprozess eliminiert werden kann, kann der Verbrennungsprozess besser verstanden und analysiert werden, und die Modellierung und theoretische Erforschung von Verbrennungsreaktionen kann verbessert werden.

Das größte Merkmal des Mikrogravitations-Verbrennungsexperiments besteht darin, dass der Einfluss der Erdanziehungskraft im freien Fall grundsätzlich eliminiert wird. In einer Umgebung ohne Schwerelosigkeit oder Mikrogravitation treten bei der Flammenverbrennung viele völlig unterschiedliche Phänomene auf.

Auch die nach der Verbrennung in der Mikrogravitation entstehenden Produkte sind unterschiedlich. Beispielsweise verbrennt Heptan am Boden und erzeugt Rauch, Kohlendioxid und Wasser, während in einer Umgebung mit Mikrogravitation ein einzigartiger Verbrennungszustand mit kalter Flamme auftritt. Obwohl zu diesem Zeitpunkt keine offene Flamme vorhanden ist, entstehen bei der Niedertemperatur-Flammenverbrennung Kohlenmonoxid und Formaldehyd.

Wie wir alle wissen, ist die Schwerkraft der Schlüssel zur Erzeugung der Auftriebskonvektion während der Flammenverbrennung, die sich direkt auf die Struktur der Flamme, die Verbrennungsstabilität, die Flammenausbreitung und -löschung sowie andere Verbrennungsphänomene auswirkt. Die Erforschung der Natur der Flammenverbrennung unter konventioneller Schwerkraft ist wie das Betrachten von Blumen im Nebel und es ist schwierig, ein tieferes Verständnis zu erlangen.

Darüber hinaus hat die Flamme unter der Einwirkung der Schwerkraft einen Schwerpunkt und erscheint in Tropfenform, aber die Verbrennung in einer Mikrogravitationsumgebung verläuft ganz anders. Die Flamme ist kürzer und runder und erscheint halbkugelförmig oder kugelförmig. Das Verschwinden der Schwerkraft führt dazu, dass das Konvektionsphänomen stark abgeschwächt wird oder verschwindet, und die Mikrogravitationsumgebung verhindert auch die Ablagerung von Tröpfchen und Partikeln. Gleichzeitig können einige Verbrennungsphänomene, die durch die starke Konvektion maskiert werden, wenn die Flamme am Boden brennt, wie etwa schwache Grundeffekte wie Wärmestrahlung, Diffusion, Kapillareffekt und elektrostatische Kraft der Flammenverbrennung, auch im Weltraum deutlich sichtbar werden, was ein besseres Umfeld für die eingehende Erforschung des grundlegenden Verbrennungsprozesses von Flammen bietet.

Darüber hinaus können auch schwebende Tröpfchen und Partikel in einer Umgebung mit Mikrogravitation brennen und die Flammen erscheinen kugelförmig. Dies alles sind Wunder, die Flammen auf dem Boden nicht bieten können und die das Verständnis der Menschen für den Verbrennungsprozess durch Flammen erweitern.

Dank der einzigartigen Mikrogravitationsumgebung bieten Mikrogravitations-Verbrennungsexperimente eine effektivere Möglichkeit, die grundlegenden Prozesse und Theorien der Flammenverbrennung zu überprüfen und die physikalischen und chemischen Mechanismen des Verbrennungsprozesses zu untersuchen.

Verbrennungsexperimente werden in Zukunft von großem Nutzen sein

Um den Anforderungen der Verbrennungsforschung sowie der Energie- und Umweltschutzanforderungen gerecht zu werden, haben viele Länder der Welt Experimente zur Verbrennungswissenschaft unter Mikrogravitation durchgeführt.

Seitdem die Menschheit in das Weltraumzeitalter, insbesondere in das Zeitalter der bemannten Raumfahrt, eingetreten ist, dürfen Fragen des menschlichen Lebens nicht auf die leichte Schulter genommen werden. Das Feuer im Raumschiff Apollo 1 brach am Boden aus und die Astronauten konnten nicht entkommen. Kommt es in einem Raumschiff im Weltraum zu einem Brand, hängt der Erfolg oder Misserfolg der Brandverhütung und Brandbekämpfung unmittelbar mit der Lebenssicherheit der Astronauten zusammen.

Die Entwicklung der bemannten Raumfahrt stellt hohe Anforderungen an den Brandschutz von Raumfahrzeugen. Eines der Hauptziele der wissenschaftlichen Forscher, die Verbrennungsexperimente in der Mikrogravitation durchführen, besteht darin, ein umfassendes Verständnis des Verbrennungsprozesses von Flammen in der Mikrogravitationsumgebung des Weltraums zu erlangen und theoretische Forschungen zur Entwicklung von Technologien zur Brandverhütung und Feuerlöschung durchzuführen.

Astronauten auf der Internationalen Raumstation entdeckten in Flammenlöschexperimenten, dass Tröpfchen von Heptan und anderen flüssigen Brennstoffen bei niedrigen Temperaturen bzw. kalten Flammen weiterbrannten, nachdem die sichtbare offene Flamme erloschen war. Die schnelle Verdampfung der Tröpfchen hörte erst auf, als die kalte Flamme erloschen war. Dies bedeutet, dass das Erlöschen der offenen Flamme in der Mikrogravitation nicht das Ende des Verbrennungsprozesses darstellt. Daher muss die Feuerlöschausrüstung auf der Raumstation das Problem der Sekundärverbrennung von Flammen berücksichtigen.

Diese neuen Erkenntnisse aus dem Experiment zur Verbrennung in der Schwerelosigkeit werden dazu beitragen, eine umfassendere Branderkennungstechnologie für Raumfahrzeuge und eine sicherere Feuerlöschtechnologie im Weltraum zu entwickeln. Das Verständnis des Flammenverbrennungsprozesses im Mikrogravitationsverbrennungsexperiment wird auch dazu beitragen, die Verbrennungseffizienz von Verbrennungsmotoren am Boden zu verbessern und die Schadstoffemissionen aus Verbrennungsabgasen zu reduzieren. Es ist daher von großer Bedeutung für die Energieeinsparung und Emissionsreduzierung.

Das vom chinesischen Wissenschaftssatelliten Shijian-10 durchgeführte Forschungsexperiment zur Kohleverbrennung und Schadstoffentwicklung unter Mikrogravitation zielt darauf ab, die Gesetze der Kohleverbrennung und Schadstoffentwicklung durch einen Vergleich der Verbrennung in einer Mikrogravitationsumgebung besser zu erforschen, um bessere Theorien und Technologien für die Kohleverbrennung zu entwickeln und den Menschen eine effizientere Nutzung der Kohleressourcen zu ermöglichen.

Darüber hinaus wird die eingehende Erforschung des Verbrennungsprozesses von Flammen in einer Mikrogravitationsumgebung, wie sie durch das FLEX-2-Experiment auf der Internationalen Raumstation dargestellt wird, auch dazu beitragen, die Verbrennungseffizienz von Raketentriebwerken bei interplanetaren Erkundungsmissionen zu verbessern, Raketentriebwerke mit höherem spezifischen Impuls und Wirkungsgrad zu entwickeln und Startmasse sowie Missionskosten zu reduzieren.

Daher sind Verbrennungsexperimente in der Mikrogravitation mit Flammen von großer Bedeutung für die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie sowie für die Nutzung von Ressourcen. (Autor: Zhang Xuesong)