Labtechnicus steekt een bal in brand met een waterstofbrander.

Waterstof is niet je vriend. Dit was de eerste les die ik leerde toen ik een promovendus eropuit stuurde om waterstofreacties op een oppervlak te bestuderen. Waterstof is explosief over een enorm bereik van concentraties, waardoor zelfs het kleinste lek een uitnodiging is om de geneugten van roestvrij staal met hoge snelheid te bestuderen, met als extra bonus derdegraads brandwonden. Ik heb nu geleerd dat de situatie eigenlijk erger is dan ik dacht, omdat waterstof ook in zeer kleine ruimtes kan branden.

Vuur heeft drie dingen nodig: brandstof, zuurstof en warmte. Als je een goed gemengde brandstof-zuurstofcombinatie hebt, zullen de eerste twee een probleem zijn, dus je hoeft alleen maar warmte toe te voegen. Wanneer de ontsteking wordt aangestoken, worden de brandstof en zuurstof plaatselijk snel uitgeput, zodat een front van de verbranding vanaf het ontstekingspunt naar buiten toe uitzet, waarbij de brandstof en zuurstof worden verbruikt. Om die uitzetting te laten plaatsvinden, moet de warmte die door de verbranding wordt gegenereerd, met het vlamfront naar buiten worden overgebracht, anders zal het gas niet heet genoeg zijn om te ontbranden.

In een grote ruimte is dit geen probleem, omdat gassen veel energie vergen om op te warmen. In een beperkte ruimte beginnen de muren echter een rol te spelen. Er gaat energie naar het verwarmen van de wanden, maar de wandtemperatuur mag nooit hoger worden dan de ontstekingstemperatuur van het gas. Dus als de muren dichtbij genoeg zijn, zal een vonk niet resulteren in een zich voortplantend vlamfront; in plaats daarvan sterft de vlam plaatselijk. Voor waterstof blijkt het verhaal echter iets ingewikkelder te zijn.

Om dit te onderzoeken, heeft een team van onderzoekers een brandende sandwich opgesteld. Twee grote glasplaten die op een afstand van één tot zes millimeter van elkaar konden worden gehouden, werden gebruikt om een ​​waterstof-luchtmengsel op te sluiten. Zodra de mengselconcentraties waren gekozen, zou de onderzoeker de boven- of onderkant van de sandwich aansteken. Het team volgde vervolgens de onzichtbare vlam door de waterdruppels te observeren die werden gevormd als gevolg van waterstof-zuurstofverbranding.

Voor brede scheidingen (3 mm of meer) en hoge waterstofconcentraties (iets meer dan 10 procent), zou een normaal vlamfront verschijnen en zich naar buiten verspreiden vanaf het ontstekingspunt, zoals hierboven weergegeven.

Maar wanneer de opening werd verkleind tot 2 mm, zou de vlam uiteenvallen in een vertakkend netwerk van kleinere vlamkanalen. De vertakking volgde een patroon dat vergelijkbaar is met dat van bacteriën die groeien in een medium zonder voldoende voedsel (de vertakkingen leken ook op de luchtwegen in je longen). De onderzoekers analyseerden het vertakkingspatroon en toonden aan dat het een fractaal karakter had.

Dat is echter niet het einde van het verhaal. Een kleine vermindering van de waterstofconcentratie stopt de vorming in een fractaal vlamfront. In plaats daarvan vormen zich een enkele of een paar smalle vlamsporen. De sporen breiden niet uit of vertakken zich niet. In plaats daarvan volgen ze gewoon een soepel (maar niet recht) traject totdat ze zichzelf uitputten tegen de rand van de plaat. Ook de zwaartekracht speelt een rol: hetzelfde gedrag wordt waargenomen voor neerwaartse en opwaartse vlammen, maar voor verschillende waterstofconcentraties.

Vergelijkbare experimenten met zwaardere ontvlambare moleculen leiden niet tot hetzelfde gedrag. Zwaardere moleculen (zoals methaan) hebben ofwel een continu vlamfront of sterven af ​​bij de ontstekingsbron.

Meerdere enkele vlamsporen die naar boven gaan. Met dank aan Fernando Veiga-L贸pez en collega’s.

Om te begrijpen waarom dit het geval was, hebben de onderzoekers hun vlammende gas gemodelleerd. Ze ontdekten dat waterstof de warmteverliezen door de muren kan weerstaan ​​omdat het veel meer beweegt (waterstof kan verder diffunderen in vergelijking met zwaardere moleculen). Hierdoor kan het een smal vlammenspoor vormen, wat de onderzoekers ook in hun modellen zagen. Die modellen lijken echter niet het fractale vlamfront te reproduceren, wat ik een beetje verrassend vind.

De onderzoekers beweren ook dat deze fractale en spoorachtige vlamfronten nog niet eerder zijn waargenomen, wat aangeeft dat er een geheel nieuwe reeks vlamdynamica moet worden bestudeerd. Ik kijk uit naar een vervolg dat de waargenomen fractal verklaart. Op het gebied van veiligheid en omgang met gassen verandert er door dit onderzoek eigenlijk niets, aangezien onze regels over het algemeen zeer voorzichtig zijn (en terecht). Er is geen reden waarom iemand die veilig werkt de juiste omstandigheden zou kunnen creëren voor de vorming van een fractale vlam.

Physical Review Letters, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.174501 (Over DOI’s)

By Admin

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *