El misterio de las centellas (1330)

Llamas de velas en microgravedad

Mir/Priroda

INTRODUCCIÓN

En una famosa serie de conferencias y experimentos con velas en las décadas de 1830 y 1840, Michael Faraday, descubridor de muchos principios de la electricidad, declaró: «No hay nada mejor, no hay más puertas abiertas por las que se pueda entrar en el estudio de la filosofía natural (ciencia) que considerando los fenómenos de una vela…»1. Las llamas de las velas se han estudiado durante más de 100 años; Recientemente, se han utilizado para estudiar el parpadeo de la llama2 y las oscilaciones de la llama espontáneas, cercanas a la extinción3.

En este experimento, examinamos el comportamiento de la llama de una vela en un entorno puramente difusivo (microgravedad). Con el apoyo de la División de Aplicaciones y Ciencia de Microgravedad de la Sede de la NASA, esta investigación fue concebida y desarrollada por el Dr. Daniel Dietrich y el Dr. Howard Ross del Centro de Investigación Lewis de la NASA, y el Prof. James T’ien de la Universidad Case Western Reserve.

DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA CIENCIA

La llama de una vela se utiliza a menudo para ilustrar los complicados procesos fisicoquímicos de la combustión. En la superficie de la llama, el vapor de combustible y el oxígeno se mezclan a alta temperatura y reaccionan exotérmicamente. El calor de la llama funde la cera (típicamente un hidrocarburo C20 a C35) en la base de la vela. La cera líquida se mueve a través de la mecha por capilaridad y es vaporizada por el calor de la llama. Los vapores de cera luego migran hacia la superficie de la llama y en el camino se descomponen en hidrocarburos más pequeños. Simultáneamente, el oxígeno de la atmósfera general se mueve hacia la superficie de la llama por difusión y convección. Por lo tanto, la supervivencia y ubicación de una superficie de llama estable está determinada por el requisito de que todos estos procesos estén continuamente equilibrados.

En gravedad normal, la convección flotante se desarrolla a partir de los productos de combustión menos densos y calientes. Esta convección transporta oxígeno a la llama y los productos de combustión lejos de la llama (Figura 1). La llama resultante tiene forma de lágrima, alargada en la dirección opuesta al vector gravitacional. La parte amarilla de la llama es causada por partículas sólidas de hollín (formadas en la región entre la llama y la mecha) que se queman a medida que se mueven a través de la llama.

Imagen y esquema de la llama de una vela en gravedad normal

En microgravedad (la ausencia de convección flotante), el proceso mucho más lento de difusión molecular controla el suministro de oxígeno y vapor de combustible a la llama. Además, al no haber «arriba» o «abajo», la llama tiende a la esfericidad. Sin embargo, el calor perdido en la mecha de la vela apaga la base de la llama, haciendo que sea hemisférica (Figura 2). El suministro disminuido de oxígeno y combustible reduce significativamente la tasa de generación de calor en relación con la pérdida de calor en la llama de la vela de microgravedad (en comparación con la llama de gravedad normal). Por lo tanto, la temperatura de la llama se reduce hasta el punto en que se forma poco o nada de hollín, como lo demuestra una llama completamente azul.

Imagen de la llama de una vela USML-1 en microgravedad

OBJETIVOS DE LA MISIÓN

Experimentos con una sola vela

El presente trabajo es una continuación del experimento Candle Flames in Microgravity (CFM) realizado en las instalaciones de Microgravity Glovebox (MGBX) durante la misión del transbordador USML-1 (STS-50). Se llevaron a cabo alrededor de 10 experimentos con una sola vela4. Inmediatamente después de la ignición, la llama de la vela era esférica y tenía un núcleo amarillo brillante. Después de 8 a 10 segundos, el amarillo (presumiblemente del hollín) desapareció y la llama se volvió azul y hemisférica. Estos resultados son consistentes con nuestros estudios anteriores de corta duración en aviones, en la torre de caída de 5.2 segundos del Centro de Investigación Lewis de la NASA y en la torre de caída de 10 segundos en Japón.

Después de la ignición transitoria, las llamas permanecieron todas azules y permanecieron libres de hollín y tenían un diámetro de aproximadamente 1.5 cm (Figura 2). La extinción ocurrió entre 40 y 60 segundos para todas las llamas excepto una que tuvo una vida útil de 105 segundos; esta llama comenzó y se mantuvo más pequeña de lo normal (aproximadamente 0.6 cm) durante mucho tiempo porque se estabilizó solo en una parte de la mecha. En los experimentos de Shuttle, la causa de la extinción fue el agotamiento de oxígeno (acumulación de producto) en el volumen finito de la guantera y la caja de velas. Sorprendentemente, cada llama de vela en el transbordador espacial osciló espontáneamente unos 5 segundos antes de la extinción, trazando simétricamente hacia adelante y hacia atrás a lo largo del eje de la vela en cada ciclo.

En el presente trabajo, los objetivos de los experimentos de una sola vela son:

Determina si existe una llama de vela casi estable y estudia sus características.

Estudie con más detalle las oscilaciones de la llama antes de la extinción observadas durante los experimentos del USML-1.

Los experimentos de Mir utilizarán una caja de velas más abierta, lo que debería extender significativamente la vida útil de la llama y el tiempo de observación de las oscilaciones de preextinción. Las características de la llama se estudiarán con video en color suministrado por Glovebox y fotografía SLR de 35 mm, mediciones radiométricas y de temperatura de la llama, y mediciones en un solo punto de la concentración de oxígeno lejos de la llama.

Experimentos de dos velas

También se observarán interacciones de llamas (dos llamas muy próximas). Debido a que la forma aparente de la llama de la vela de baja gravedad es aproximadamente esférica, su comportamiento puede ser análogo en algunos aspectos a la combustión de gotitas de baja gravedad. Es interesante ver aquí, en un ambiente puramente inactivo, cómo se comportan dos llamas vecinas; Una aplicación de los resultados puede ser proporcionar una guía temprana en el desarrollo de un experimento de combustión de arreglo de gotas (rociado idealizado). Desde la perspectiva de la transferencia de calor, la influencia de las llamas vecinas debería promover y mantener la combustión porque las pérdidas de calor de las llamas se reducirán con la presencia de cada una. Sin embargo, desde la perspectiva de la transferencia de masa, ambas llamas competirán por el mismo oxidante, también necesario para la combustión. Aparente aquí de nuevo es la ventaja de un simple experimento de microgravedad Glovebox; la distancia de separación y el comportamiento del sistema de dos llamas pueden ser ajustados mucho más fácilmente por un miembro de la tripulación capacitado que por un proceso automatizado.

DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE

El experimento Candle Flames in Microgravity (CFM) se realiza en cuatro módulos: una caja de velas, dos cajas de piezas de CFM y una caja de piezas de combustión (CPB). La caja de velas es la carcasa en la que se queman las velas. Es un cubo de malla de alambre que proporciona un 50 por ciento de área abierta para permitir que el aire fresco llegue a las llamas de las velas, pero evita que otros materiales se enciendan accidentalmente. La caja de velas también alberga un sistema de encendido automático/manual de alambre caliente y un traductor x, y que sostiene dos termopares para medir la temperatura dentro y alrededor de las llamas de las velas. Dos ventanas ortogonales en la caja de velas se adaptan tanto a la grabación de video como a la fotografía de la llama con una cámara de 35 mm.

Las cajas de repuestos 1 y 2 contienen equipo adicional para operar CFM. En la caja de piezas 1 hay 10 bandejas para velas, 2 candelabros ajustables, una cubierta de prueba de una sola vela y una placa de fijación para bandeja de velas. Nueve de las bandejas de velas contienen 5 velas y un conjunto de botella de muestra de gas que se utilizará para tomar muestras del aire cerca de la vela en el punto de extinción. La última bandeja de velas tiene 10 velas y no tiene ensamblaje de muestra de gas. La caja de piezas 2 contiene la caja de control, 2 mazos de cables, 7 encendedores de una sola vela, 2 encendedores de doble vela, 2 barras de montaje de la caja de control, una herramienta de enfoque y 24 velas de repuesto. La caja de control contiene la mayoría de los interruptores y la electrónica para operar el encendedor y las botellas de muestra de gas y para almacenar los datos del termopar. La caja de control almacena temperaturas en cada canal de termopar a una velocidad de 33 Hz y almacena hasta 4 MB de datos.

La caja de piezas de combustión (CPB) contiene equipo fotográfico y sensor adicional utilizado por el CFM y otros experimentos de combustión en Mir: una cubierta de cámara, un accesorio de montaje de cámara F3, un sensor de oxígeno y un radiómetro. Durante la combustión, el sensor de oxígeno y el radiómetro medirán la concentración de oxígeno y la intensidad de la llama, respectivamente. El experimento se operará en la Guantera de Microgravedad (MGBX) en el módulo Priroda en la Estación Espacial Mir. La instalación MGBX proporciona energía eléctrica, la cámara Nikon F3 de 35 mm y las videocámaras en color.

Caja de piezas de combustión

CARACTERISTICAS DEL INSTRUMENTO

Peso:	Caja de velas: 2.3 kg Caja de piezas 1: 9.2 kg Caja de piezas 2: 7.2 kg Caja de piezas de combustión: 6,0 kg
Dimensiones:	Caja de velas: 19 por 22 por 19 cm Caja de piezas 1:46 por 36 por 12,5 cm Caja de piezas 2:46 por 36 por 12,5 cm Caja de piezas de combustión: 46 por 36 por 15,2 cm
Consumo de energía:	33 vatios (máximo) 14 vatios (nominal)
Muestras de prueba:	Las velas tienen un 80% de cera de parafina y un 20% de ácido esteárico (C18H36O2) y tienen una temperatura de fusión de aproximadamente 68°C
Adquisición de datos:	Cámara de video en color Nikon F3 Cámara de 35 mm Termopares Sensor de oxígeno Radiómetro Conjunto de botella de muestreo de gas

SECUENCIA OPERATIVA

La caja de velas y las dos cajas de piezas se entregarán a la Estación Espacial Mir a bordo del módulo Priroda en un cohete Proton ruso. La caja de piezas de combustión fue entregada a Mir por el transbordador espacial Atlantis en el vuelo STS-76.

Inicialmente, la tripulación instala un encendedor de vela simple o doble en la caja de velas y luego coloca la caja de velas, un mazo de cables, una bandeja de velas y el sensor de oxígeno o el radiómetro en la caja de guantes. Una cámara de video está montada en una ventana de visualización especialmente diseñada, llamada bulleye, en el exterior de la puerta de entrada de la Glovebox. La cámara Nikon F3, o en algunos casos una segunda cámara de video, está montada sobre la guantera para ver el experimento a través de la ventana superior. La caja de control está montada en el lado exterior derecho de la Guantera, y un mazo de cables conecta la caja de control al resto del experimento y a la energía MGBX mediante un paso eléctrico en la puerta delantera. La interacción de los principales componentes de hardware.se muestra a continuación. Una vez que se cierran las puertas de la guantera y se apagan las luces, un entorno sellado, inactivo y sin flotación está listo para los experimentos de CFM.

Componentes de hardware CFM

Aunque se planean 45 pruebas de una sola vela, hay 24 velas de repuesto adicionales disponibles si el tiempo lo permite. Para iniciar una prueba individual, el miembro de la tripulación levanta el encendedor a su posición debajo del mechón de la vela, activa el encendedor desde la caja de control y enciende el intervelómetro Nikon, activando la cámara Nikon F3 de 35 mm para tomar fotografías en un intervalo de tiempo preestablecido. Durante algunas pruebas, el miembro de la tripulación mueve los termopares hacia y dentro de la llama. En cada prueba de la quinta vela, se toma una muestra de gas después de la extinción. Cinco pruebas involucran dos velas. Para observar las interacciones de dos llamas, el miembro de la tripulación enciende dos velas simultáneamente y las acerca lentamente una a la otra. Después de cada prueba de vela, la circulación de aire de la guantera se enciende para suministrar aire fresco a la guantera y filtrar los productos de combustión.

La caja de piezas de combustión se devolverá a la misión STS-84 en mayo de 1997. El resto del hardware del experimento, la película y las cintas de vídeo se devolverán a la misión STS-79 en agosto de 1996.

ANÁLISIS DE DATOS POSVUELO

El video y los registros fotográficos del experimento se analizarán mediante técnicas informáticas para obtener el tamaño, la forma y el color de la llama. Además, a partir del campo de temperatura de la llama y las mediciones radiométricas y de concentración de oxígeno de un solo punto que estarán disponibles, podemos determinar si las llamas alcanzan un estado estable y cuándo. Esta información puede luego compararse con las predicciones de un modelo numérico de la llama de la vela de microgravedad actualmente en desarrollo.

RESUMEN

El Centro de Investigación Lewis de la NASA ha realizado investigaciones en propulsión, energía y materiales aeroespaciales desde 1941 y en microgravedad desde principios de la década de 1960. Lewis, el centro líder en la ciencia de la combustión de microgravedad con más de 20 proyectos en curso, mantiene tres instalaciones terrestres de baja gravedad: un avión de baja gravedad que proporciona hasta 20 segundos de pruebas a aproximadamente 1/100 de la gravedad normal y dos torres de caída que proporcionan 2 y 5 segundos, respectivamente, de menos de 1/100 000 de la gravedad normal. La preparación del experimento de las llamas de las velas requirió pruebas en estas instalaciones.

PUNTOS DE CONTACTO

Glovebox Investigator
Dr. Daniel L. Dietrich	Centro de Investigación Lewis de la NASA Cleveland, OH 44135 (216) 433-8759
Co-investigadores
Dr. Howard D. Ross	Centro de Investigación Lewis de la NASA Cleveland, OH 44135 (216) 433-2562
Prof. James S. T’ien	Universidad Case Western Reserve Cleveland, OH 44106 (216) 368-4581
Gerente de proyecto
David T. Frate	Centro de Investigación Lewis de la NASA Cleveland, OH 44135 (216) 433-8329

REFERENCIAS

1. Faraday, M.: Faraday’s Chemical History of a Candle. Chicago Review Press, Chicago, IL, 1988.

2. Buckmaster, J.; and Peters, N.: The Infinite Candle and its Stability – A Paradigm for Flickering Diffusion Flames. Twenty-First Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, PA, 1986, pp. 1829-1836.

3. Chan, W.Y.; and T’ien, J.S.: An Experiment on Spontaneous Flame Oscillation Prior to Extinction. Combust. Sci. Technol., vol. 18, nos. 3-4, 1978, pp. 139-143.

4. Dietrich, D.L.; Ross, H.D.; and T’ien, J.S.: Candle Flames in Non-Buoyant and Weakly Buoyant Atmospheres. AIAA Paper 94-0429, January 1994.

Para obtener más información sobre este experimento y otros experimentos relacionados con combustión o fluidos, visite el servidor de publicaciones y experimentos de fluidos y combustión de microgravedad. Se encuentran disponibles resúmenes de artículos y otra información bibliográfica.

https://web.archive.org/web/19971008215750/http://zeta.lerc.nasa.gov/expr/cfm.htm