Studium der Verbrennung und des Brandschutzes

Die Forschung auf der Internationalen Raumstation hilft Wissenschaftlern zu verstehen, wie sich Feuer in verschiedenen Umgebungen ausbreitet und verhält, und zu lernen, wie man Brände im Weltraum verhindert und löscht.

Verbrennungsuntersuchungen tragen zur Sicherheit von Besatzungsmitgliedern, Ausrüstung und Raumfahrzeugen bei, indem sie die Auswahl der Kabinenmaterialien für Raumfahrzeuge steuern, das Verständnis der Brandausbreitung verbessern und optimale Brandbekämpfungstechniken ermitteln. Diese Forschung trägt auch zum Brandschutz auf der Erde bei und einige Studien verbessern unser Verständnis der Verbrennung für Anwendungen wie die Stromerzeugung und den Antrieb von Fahrzeugen am Boden.

Die Mikrogravitation hat einen dramatischen Einfluss auf Flammen und bietet eine einzigartige Umgebung für die Untersuchung der Verbrennung. Auf der Erde beispielsweise steigen heiße Gase aus einer Flamme auf und die Schwerkraft zieht kühlere, dichtere Luft zum Boden einer Flamme, wodurch die klassische Form und der Flackereffekt entstehen. In der Mikrogravitation tritt diese Strömung nicht auf und auf der Raumstation neigen Flammen mit geringem Impuls dazu, rund oder sogar kugelförmig zu sein. Durch die Beseitigung der Auswirkungen des Auftriebs ermöglicht die Mikrogravitation den Forschern ein besseres Verständnis des spezifischen Flammenverhaltens.

Das vom Glenn Research Center der NASA entwickelte und betriebene Combustion Integrated Rack (CIR) bietet eine sichere Umgebung für eine Vielzahl von Verbrennungsexperimenten. Zu den verschiedenen Kammereinsätzen, die vielfältige Untersuchungen ermöglichen, gehören das Multi-User Droplet Combustion Apparatus, das FLame Extinguishment Experiments (FLEX) unterstützte, der Advanced Combustion via Microgravity Experiments (ACME)-Einsatz und das Solid Fuel Ignition and Extinction – Growth and Extinction Limit (SoFIE)-Kammer.

FLEX, das die Wirksamkeit von Feuerlöschmitteln analysierte, führte zur Entdeckung einer Art kühler Flamme, bei der der Brennstoff unter bestimmten Bedingungen nach dem Erlöschen der sichtbaren Flamme weiter „brennt“. Typische Flammen erzeugen Kohlendioxid und Wasser, aber kühle Flammen produzieren Kohlenmonoxid und Formaldehyd. Wenn wir mehr über das Verhalten dieser chemisch unterschiedlichen Flammen erfahren, könnte dies zur Entwicklung effizienterer und weniger umweltschädlicher Fahrzeuge führen. Kühle Flammen, die auf der Erde entstehen, erlöschen schnell. Da sie in der Schwerelosigkeit länger brennen, haben Wissenschaftler die Möglichkeit, sie zu untersuchen.

FLEX-2 untersuchte, wie schnell Kraftstofftröpfchen verbrennen, welche Bedingungen für die Rußbildung erforderlich sind und wie Mischungen flüssiger Kraftstoffe vor dem Verbrennen verdampfen. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, zukünftige Raumfahrzeuge sicherer zu machen und die Treibstoffeffizienz von Triebwerken zu erhöhen, die auf der Erde flüssigen Treibstoff verwenden.

ACME ist eine Reihe von sechs unabhängigen Studien, die das CIR verwenden, um die Kraftstoffeffizienz und die Schadstoffproduktion bei der Verbrennung auf der Erde zu untersuchen. Die Serie befasste sich auch mit der Verbesserung des Brandschutzes von Raumfahrzeugen durch ein besseres Verständnis der Entflammbarkeit von Materialien.

Eine ACME-Untersuchung, Flame Design, untersuchte die Menge an Ruß, die unter verschiedenen Flammenbedingungen erzeugt wurde. Ruß, der Kohlenstoffrückstand, der zurückbleibt, wenn kohlenstoffhaltiges Material nicht vollständig verbrennt, verursacht Umwelt- und Gesundheitsprobleme, ist aber für manche Zwecke wünschenswert. Die Ergebnisse könnten je nach Bedarf die Gestaltung von Flammen mit mehr oder weniger Ruß ermöglichen und dazu beitragen, effizientere und weniger umweltschädliche Designs für die Brennstoffverbrennung zu entwickeln.

Der Burning Rate Emulator (BRE) von ACME simulierte die Entflammbarkeit fester und flüssiger Materialien durch die Verbrennung gasförmiger Brennstoffe unter bestimmten Bedingungen. Die Analyse von 59 BRE-Verbrennungstests lieferte Daten zum Wärmefluss, zur Flammengröße, zu den Auswirkungen des Brennstoffgemischflusses und zu anderen wichtigen Parametern. Die Ergebnisse könnten das grundlegende Verständnis der Entflammbarkeit von Materialien verbessern und beurteilen, ob bestehende Methoden zur Prüfung der Entflammbarkeit in der Schwerelosigkeit wirksam sind.

Burning and Suppression of Solids (BASS) war eine der ersten Untersuchungen, die untersuchte, wie in der Mikrogravitation brennende Brennstoffe gelöscht werden können. Beim Löschen von Bränden im Weltraum müssen die Flammengeometrie, die Eigenschaften der Materialien und die zum Löschen verwendeten Methoden berücksichtigt werden, da die am Boden eingesetzten Methoden unwirksam sein oder die Flamme sogar verschlimmern könnten.

BASS-II untersuchte die Eigenschaften verschiedener Kraftstoffproben, um festzustellen, ob Materialien unter den richtigen Bedingungen in Mikrogravitation genauso gut wie in normaler Schwerkraft brennen. Mehrere Veröffentlichungen haben über Ergebnisse von BASS-II berichtet, darunter die Unterschiede zwischen Flammenausbreitung und Brennstoffrückgang sowie ein Vergleich der Flammenausbreitungsraten.

SoFIE-GEL analysiert, wie sich die Temperatur eines Kraftstoffs auf die Entflammbarkeit eines Materials auswirkt. Forscher berichten, dass Experimentbeobachtungen mit den von den Modellen vorhergesagten Trends übereinstimmen. Bei dieser Untersuchung, der ersten einer Reihe, wurden verschiedene Brennstoffe getestet, darunter flache Bleche, dicke Brammen, Zylinder und Kugeln.

Saffire ist eine Reihe von Experimenten, die an Bord unbemannter Cygnus-Frachtraumschiffe nach dem Verlassen der Station durchgeführt werden und es ermöglichen, größere Brände zu testen, ohne die Besatzungsmitglieder zu gefährden. Ergebnisse zur Flammenausbreitung in der Mikrogravitation können verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung in einem Raumfahrzeug zu bestimmen und zu zeigen, dass eine Verringerung des Drucks diese Ausbreitung verlangsamt.

Confined Combustion, gesponsert vom ISS National Lab, untersucht die Flammenausbreitung in geschlossenen Räumen unterschiedlicher Form. Der Einschluss beeinflusst die Brandeigenschaften und -gefahren. Forscher berichten über Einzelheiten zu Wechselwirkungen zwischen einer Flamme und ihren umgebenden Wänden und zum Schicksal der Flamme, wie etwa Wachstum oder Erlöschen. Diese Ergebnisse liefern Leitlinien für die Gestaltung von Bauwerken, Brandschutzvorschriften und Maßnahmen im Weltraum und auf der Erde. Andere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einschluss je nach Bedingungen die Entflammbarkeit fester Brennstoffe erhöhen oder verringern kann.

FLARE, eine von JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) geförderte Untersuchung, testet auch die Entflammbarkeit von Materialien in der Schwerelosigkeit. Die Ergebnisse könnten den Brandschutz bei künftigen Missionen erheblich verbessern.

Flammenstudien tragen dazu bei, die Sicherheit der Besatzungen im Weltraum zu gewährleisten. Diese Forschung könnte auch zu einer effizienteren Verbrennung führen, die Schadstoffe reduziert und effizientere Flammen für Anwendungen auf der Erde wie Heizung und Transport erzeugt.

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