As bolas de fogo são chamas esféricas suaves e frágeis que até recentemente só podiam existir em condições de gravidade quase zero. Os pesquisadores da TU / e conseguiram observar bolas de fogo em condições normais terrestres, e assim, descobriu novos insights sobre o trabalho de misturas de combustível pobre. Acredita-se que as misturas de hidrogênio sejam o combustível do futuro, pois não emitem CO ₂ e apenas baixas concentrações de óxidos de nitrogênio. Junte-se aos nossos pesquisadores em sua emocionante jornada para compreender a enigmática bola de fogo.

Não é preciso ser um cientista de combustão para entender isso, quando uma mistura ar-combustível é inflamada, as chamas começam a se propagar. O oxigênio reage com o combustível na chama, o calor é liberado e inflama a mistura ao lado da chama, e este processo continua. Isso acontece no fogão a gás da sua cozinha, em um cilindro do motor do seu carro, ou em uma turbina a gás em uma estação de energia.

Mas mesmo os cientistas da combustão ficam confusos quando vêem uma bola de fogo pela primeira vez. "Uma bola de chama é uma pequena chama esférica luminosa, que mantém o mesmo tamanho e forma por tempo virtualmente ilimitado, "explica Philip de Goey, chefe do grupo de Tecnologia de Combustão da TU / e. “Parece algo impossível. Não se expande, embora haja uma abundância de mistura fresca ao redor, e não se extingue, mesmo que não haja combustível dentro dele. "

O segredo da bola de fogo é que ela é chamada de chama de difusão. Sua combustão é sustentada por uma alimentação contínua de oxigênio e combustível que se difunde em direção a essa chama esférica da mistura circundante. O calor liberado é distribuído para a mistura circundante por difusão também, e uma fração dela é levada pela radiação. Por causa dessa perda de calor, a bola de fogo é incapaz de inflamar a mistura vizinha e se expandir. Isso o torna estável.

Gentil e frágil

Predito por Drozdov e Zeldovich em 1943, bolas de fogo foram consideradas como uma curiosidade teórica, já que ninguém as observou por quase meio século depois dessa previsão. A razão é que a maioria dos laboratórios de combustão são construídos na Terra, e, portanto, como tudo na Terra, estão sujeitos à gravidade.

Em teoria, uma mistura combustível deve estar imóvel para que exista uma bola de fogo. Contudo, chamas na gravidade da Terra tendem a gerar fluxos de convecção para cima devido às forças de flutuação que atuam no produto de combustão quente, como por exemplo em velas. Embora esta convecção natural ajude as velas a queimarem, uma bola de fogo é muito suave e muito frágil para sobreviver a ela.

Não foi até 1990, quando as bolas de fogo foram descobertas experimentalmente por Paul Ronney, quando experimentos de combustão sem gravidade se tornaram possíveis. Esses experimentos foram realizados dentro de câmaras de queda livre, caiu de torres altas, ou a bordo de aviões voando em trajetórias parabólicas, uma espécie de montanha-russa voadora, onde também se pode sentir sem peso, embora por um tempo mais curto.

Ao experimentar as chamadas misturas de limite pobre, que contêm quantidades muito pequenas de combustível e mal conseguem suportar a combustão, Paul Ronny observou que várias bolas de chama de 5 a 10 mm de tamanho foram formadas e queimadas em uma mistura de hidrogênio e ar.

Por que bolas de fogo são importantes

Logo após a descoberta, pesquisadores reconheceram a importância potencial de estudar bolas de fogo. Primeiro, essas chamas têm temperaturas muito mais baixas do que as encontradas em outras chamas. Eles também são extremamente sensíveis a pequenas mudanças nas condições em que queimam. Isso torna uma bola de fogo um excelente objeto para validar modelos teóricos de combustão. Essa validação torna-se especialmente importante à medida que as tecnologias de combustão modernas se movem em direção a misturas com baixas concentrações de combustível. Essas chamadas misturas pobres tendem a gerar chamas mais frias que produzem menos óxidos de nitrogênio (NO _x ) E as bolas de fogo são as chamas mais fracas possíveis

Segundo, bolas de fogo podem existir nas misturas mais pobres que ainda podem queimar - se menos combustível estiver presente no ar, nenhuma combustão é possível. Os limites finais nos quais as chamas podem existir são importantes para o desenvolvimento de padrões de segurança e para o projeto de dispositivos de combustão.

Finalmente, estudar o fenômeno da bola de chama pode nos ajudar a entender melhor os mecanismos de combustão de misturas de hidrogênio pobre. O hidrogênio é um dos principais pretendentes a se tornar o combustível "verde" do futuro, e a combustão enxuta é considerada o futuro das tecnologias de combustão.

Trazendo as bolas de fogo para a Terra

Não é de se admirar, então, que a descoberta de bolas de fogo tenha desencadeado mais intensas investigações teóricas e experimentais. Os experimentos foram realizados até na Estação Espacial Internacional, onde as condições de 'microgravidade' são ótimas e permanentes. Medições extensivas em tais condições, Contudo, não são possíveis devido ao custo muito elevado e às possibilidades limitadas de diagnósticos experimentais.

Isso mudou, Contudo, quando as bolas de fogo foram trazidas ao solo pelo pesquisador da TU / e Yuriy Shoshin, trabalhando no grupo de Tecnologia de Combustão de Philip de Goey. Como aconteceu no caso de bolas de chama de microgravidade, Shoshin descobriu bolas de chama de gravidade 'normal' por acidente.

"Quando enchemos um tubo de vidro vertical com uma mistura contendo hidrogênio e inflamamos da extremidade inferior, observamos bolas luminosas quase perfeitas que se elevaram lentamente até a extremidade superior do tubo, "diz Shoshin. Descobriu-se que as forças de flutuação induzidas pela chama criam um pequeno vórtice no qual a bola de fogo reside. Então, em vez de destruir a bola de fogo, como era o caso em experimentos anteriores, a convecção induzida pela gravidade em condições adequadas ajuda a preservá-lo.

Células vivas

Outros estudos experimentais e numéricos intensivos levaram a muitos novos insights sobre o funcionamento das chamas de hidrogênio pobre, diz Shoshin "Entre outras coisas, descobrimos que quando uma mistura de combustível flui para baixo através de uma placa porosa dentro de um tubo largo, múltiplas bolas de chamas estão sendo formadas que surpreendentemente se comportam como células vivas, dramaticamente 'lutando pela vida'. "

"As bolas competem por combustível como comida, mudando constantemente de direção toda vez que um novo combustível fica disponível. Se uma bola de fogo tiver sorte de encontrar um local com bastante combustível, ele se divide em dois, apenas como uma célula viva. As células que estão rodeadas por concorrentes mais bem-sucedidos têm menos sorte, e decadência. Eles não podem mais resistir ao fluxo de gás descendente por flutuabilidade auto-induzida. Essas bolas infelizes são removidas da fonte de combustível pelo fluxo de gás e, eventualmente, 'morrem' de fome. "

Rosquinhas e ferraduras

O fato de que as bolas de chamas existem dentro de um vórtice deu origem à ideia de que chamas com mecanismos de combustão semelhantes poderiam possivelmente ser formadas em outras condições, onde os vórtices estão presentes. "E, na verdade, em outros experimentos, encontramos outros tipos de chamas que queimam de forma semelhante, em forma de donuts e ferraduras. "

Essas chamas se formam em torno dos chamados filamentos de vórtice, linhas em torno das quais o gás gira. Em dispositivos práticos, a combustão quase sempre ocorre em misturas turbulentas, e sabe-se que esses tipos de filamentos estão presentes no gás turbulento. "Isso nos dá esperança de que estudar essas chamas pode ajudar a entender as chamas turbulentas do hidrogênio pobre, "diz Shoshin.

Os mecanismos de combustão de bola de chama também podem ser relevantes para a estabilização da chama. "As chamas precisam ser estáveis ​​para serem utilizadas em caldeiras domésticas ou usinas a gás, e a maneira mais comum de estabilizar as chamas é criar um vórtice atrás de algum obstáculo colocado em um fluxo de mistura combustível. "

Além da teoria

De Goey enfatiza a importância de pesquisar bolas de fogo em condições de não microgravidade. "Embora as bolas de fogo com gravidade zero continuem sendo o exemplo mais fundamental e mais simples de uma bola de fogo, as bolas de fogo e seus parentes estudados em nosso grupo podem existir em várias condições diferentes. Isso torna sua física muito mais interessante, e também muito mais relevante para outros campos da ciência da combustão. "

"Interessantemente, embora nossos estudos tenham sido em grande parte inspirados por experimentos de microgravidade de Paul Ronney, para alguns dos membros da 'família da bola de fogo' descobertos em nossos laboratórios, os efeitos da gravidade acabaram não sendo nem um pouco importantes. "

O próximo passo na pesquisa de De Goey e sua equipe é incorporar o fenômeno da bola de fogo em teorias anteriores sobre chamas normais. Contudo, seu interesse pela enigmática bola de fogo vai muito além da mera curiosidade científica. "No fim, uma compreensão completa de como eles funcionam nos ajudará a desenvolver combustíveis enxutos que abrirão o caminho para um futuro de energia sustentável, " ele diz.