Le sfere di fiamma sono fiamme sferiche delicate e fragili che fino a poco tempo fa potevano esistere solo in condizioni di gravità prossima allo zero. I ricercatori del TU/e ​​sono riusciti a osservare le palle di fuoco in condizioni normali legate alla terra, e quindi, scoperto nuove intuizioni nel funzionamento delle miscele di carburante magro. Si ritiene che le miscele magre di idrogeno siano il carburante del futuro poiché non emettono CO ₂ e solo basse concentrazioni di ossidi di azoto. Unisciti ai nostri ricercatori nel loro entusiasmante viaggio per comprendere l'enigmatica palla di fuoco.

Non è necessario essere uno scienziato della combustione per capire che, quando si accende una miscela aria-carburante, le fiamme iniziano a propagarsi. L'ossigeno reagisce con il combustibile nella fiamma, il calore viene rilasciato e accende la miscela vicino alla fiamma, e questo processo continua. Questo succede nel fornello a gas della tua cucina, in un cilindro del motore della tua auto, o in una turbina a gas in una centrale elettrica.

Ma anche gli scienziati della combustione rimangono perplessi quando vedono per la prima volta una palla di fuoco. "Una palla di fuoco è una piccola fiamma sferica luminosa, che mantiene le stesse dimensioni e forma per un tempo virtualmente illimitato, " spiega Philip de Goey, capo del gruppo Combustion Technology presso TU/e. "Sembra qualcosa di impossibile. Non si espande, mentre c'è un sacco di impasto fresco in giro, e non si spegne, anche se non c'è carburante al suo interno."

Il segreto della palla di fiamma è che è una cosiddetta fiamma a diffusione. La sua combustione è supportata da un'alimentazione continua di ossigeno e combustibile che si diffonde verso questa fiamma sferica dalla miscela circostante. Il calore rilasciato viene ceduto anche alla miscela circostante per diffusione, e una frazione di essa viene portata via dalle radiazioni. A causa di questa perdita di calore, la sfera di fiamma non è in grado di accendere la miscela vicina ed espandersi. Questo lo rende stabile.

Delicato e fragile

Predetto da Drozdov e Zeldovich nel 1943, le palle di fuoco sono state a lungo considerate una curiosità teorica poiché nessuno le ha mai osservate per quasi mezzo secolo dopo quella previsione. Il motivo è che la maggior parte dei laboratori di combustione sono costruiti sulla Terra, e, così, come tutto sulla Terra, sono soggetti a gravità.

In teoria, una miscela combustibile deve essere immobile perché esista una palla di fuoco. Però, le fiamme a gravità terrestre tendono a generare flussi convettivi verso l'alto a causa delle forze di galleggiamento che agiscono sul prodotto caldo della combustione, come ad esempio nelle candele. Mentre questa convezione naturale aiuta le candele a bruciare, una palla di fuoco è troppo delicata e troppo fragile per sopravvivere.

Non è stato fino al 1990, quando le palle di fuoco furono scoperte sperimentalmente per la prima volta da Paul Ronney, quando divennero possibili esperimenti di combustione senza gravità. Tali esperimenti sono stati condotti all'interno di camere a caduta libera, caduto da alte torri, o a bordo di aerei che volano in traiettorie paraboliche, una specie di montagne russe volanti, dove ci si può anche sentire senza peso, anche se per un tempo più breve.

Quando si sperimentano le cosiddette miscele limite magre, che contengono quantità molto piccole di carburante e possono a malapena sostenere la combustione, Paul Ronny osservò che si formavano più sfere di fiamma di 5-10 mm e bruciavano in una miscela di idrogeno e aria.

Perché le palle di fuoco sono importanti?

Subito dopo la scoperta, i ricercatori hanno riconosciuto il potenziale significato dello studio delle palle di fuoco. Primo, tali fiamme hanno temperature molto più basse di quelle che si trovano in altre fiamme. Sono anche estremamente sensibili a piccoli cambiamenti nelle condizioni in cui bruciano. Questo rende una palla di fuoco un oggetto eccellente per convalidare modelli teorici di combustione. Tale convalida diventa particolarmente importante man mano che le moderne tecnologie di combustione si spostano verso miscele con basse concentrazioni di carburante. Queste cosiddette miscele magre tendono a generare fiamme più fredde che producono meno ossidi di azoto (NO _X ). E le palle di fuoco sono le fiamme più magre possibili

Secondo, palle di fuoco possono esistere nelle miscele più magre che possono ancora bruciare, se è presente meno carburante nell'aria, nessuna combustione è possibile. I limiti ultimi ai quali possono esistere le fiamme sono importanti per lo sviluppo degli standard di sicurezza e per la progettazione dei dispositivi di combustione.

Finalmente, studiare i fenomeni delle palle di fuoco può aiutarci a comprendere meglio i meccanismi di combustione delle miscele magre di idrogeno. L'idrogeno è uno dei principali pretendenti a diventare un carburante "verde" del futuro, e la combustione magra è considerata il futuro delle tecnologie di combustione.

Portare le palle di fuoco sulla Terra

Non c'è da stupirsi quindi che la scoperta delle sfere di fuoco abbia scatenato ulteriori approfondite indagini teoriche e sperimentali. Gli esperimenti sono stati effettuati anche presso la Stazione Spaziale Internazionale, dove le condizioni di 'microgravità' sono ottimali e permanenti. Misure estese in tali condizioni, però, non sono possibili a causa del costo molto elevato e delle limitate possibilità di diagnostica sperimentale.

che è cambiato, però, quando le palle di fuoco furono portate a terra dal ricercatore del TU/e ​​Yuriy Shoshin, lavorando all'interno del gruppo Combustion Technology di Philip de Goey. Come è successo nel caso delle sfere di fiamma a microgravità, Shoshin ha scoperto per caso palle di fuoco gravitazionali "normali".

"Quando abbiamo riempito un tubo di vetro verticale con una miscela contenente idrogeno e acceso dall'estremità inferiore, abbiamo osservato sfere luminose quasi perfette che lentamente si alzavano fino all'estremità superiore del tubo, " dice Shoshin. Si è scoperto che le forze di galleggiamento indotte dalla fiamma creano un piccolo vortice in cui risiede la palla di fuoco. Quindi, invece di distruggere la palla di fuoco, come avveniva in esperimenti precedenti, la convezione indotta dalla gravità in condizioni adeguate aiuta a preservarla.

Cellule viventi

Ulteriori intensi studi sperimentali e numerici hanno portato a molte nuove intuizioni sul funzionamento delle fiamme magre di idrogeno, dice Shoshin "Tra le altre cose, abbiamo scoperto che quando una miscela di carburante scorre verso il basso attraverso una piastra porosa all'interno di un ampio tubo, si stanno formando più sfere di fiamma che si comportano sorprendentemente come cellule viventi, drammaticamente 'lottando per la vita.'"

"Le palle competono per il carburante come il cibo, cambiando costantemente direzione ogni volta che si rende disponibile nuovo carburante. Se una palla di fuoco è fortunata a trovare un luogo con molto carburante, si divide in due, proprio come una cellula vivente. Le cellule che sono circondate da concorrenti di maggior successo sono meno fortunate, e decadenza. Non possono più resistere al flusso di gas verso il basso per galleggiamento autoindotto. Queste sfortunate palle vengono rimosse dalla fonte di carburante dal flusso di gas e alla fine "muoiono" di fame".

Ciambelle e ferri di cavallo

Il fatto che le sfere di fiamma esistano all'interno di un vortice ha dato origine all'idea che fiamme con meccanismi di combustione simili potrebbero eventualmente formarsi in altre condizioni, dove sono presenti i vortici. "E, infatti, in ulteriori esperimenti abbiamo trovato altri tipi di fiamme che bruciano in modo simile, a forma di ciambelle e ferri di cavallo."

Tali fiamme si formano attorno ai cosiddetti filamenti di vortice, linee attorno alle quali ruota il gas. Nei dispositivi pratici, la combustione avviene quasi sempre in miscele turbolente, ed è noto che filamenti del genere sono presenti nel gas turbolento. "Questo ci fa sperare che lo studio di tali fiamme possa aiutare a capire le fiamme turbolente dell'idrogeno magro, "dice Shoshin.

Anche i meccanismi di combustione della palla di fuoco possono essere rilevanti per la stabilizzazione della fiamma. "Le fiamme devono essere stabili per poter essere utilizzate nelle caldaie domestiche o nelle centrali elettriche a gas, e il modo più comune per stabilizzare le fiamme è creare un vortice dietro qualche ostacolo posto in un flusso di miscela combustibile."

Oltre la teoria

De Goey sottolinea l'importanza della ricerca delle sfere di fiamma in condizioni non di microgravità. "Mentre le palle di fuoco a gravità zero rimangono l'esempio più fondamentale e più semplice di una palla di fuoco, le palle di fuoco e i loro parenti studiati nel nostro gruppo possono esistere in diverse condizioni. Questo rende la loro fisica molto più interessante, e anche molto più rilevante per altri campi della scienza della combustione."

"Interessante, anche se i nostri studi sono stati in larga misura ispirati dagli esperimenti di microgravità di Paul Ronney, per alcuni dei membri della "famiglia dei palloni infuocati" scoperti nei nostri laboratori, gli effetti della gravità si sono rivelati per nulla importanti."

Il prossimo passo nella ricerca di De Goey e del suo team sta incorporando il fenomeno della palla di fuoco nelle precedenti teorie sulle fiamme normali. Però, il loro interesse per l'enigmatica palla di fuoco va ben oltre la semplice curiosità scientifica. "Alla fine, una piena comprensione di come funzionano ci aiuterà a sviluppare combustibili magri che apriranno la strada a un futuro energetico sostenibile, " lui dice.