通過對火焰進行設計 太空中可能實現無煙燃燒

幾十年以來，科學家們已經能夠控制燃料在燃燒過程中，生成火焰的同時不產生煙塵。通過計算大量的數據和在高科技設施中進行了實驗之後，他們已經知道這是為什麼。但是只有一種方法可以確定火焰和煙塵之間的基本關係：去太空中生火。

為此，即將創下女子最長太空飛行的紀錄的宇航員克里斯蒂娜·科赫（Christina Koch）在國際空間站（ISS）上開始進行實驗，實驗可以讓研究人員從地球上遠程點燃火焰，然後觀察和研究火焰的形狀和性質。如果實驗的結果與地球研究人員對它們的理解一致，可能產生一個對燃燒特性的全新理解。

聖路易斯華盛頓大學麥克爾維工程學院環境工程科學教授理查德·阿克塞爾鮑姆（Richard Axelbaum）說：我們將測量燃燒產生的煙塵，評估火焰的強度和火焰的輻射、氣體成分和溫度，以便確保我們的預測是正確的。

燃燒產生的煙塵是一種污染物，它也可能致癌，所以人們並不想吸入大量的煙塵。同時，煙塵能吸收陽光並加速地球變暖。事實上，煙塵是僅次於二氧化碳的第二大導致大氣變暖的因素。

如果有了充足的氧氣，燃燒就會釋放燃料所能提供的最大能量，在它有效地燃燒過後，副產品只有二氧化碳和水。煙塵是不完它全燃燒的產物，在沒有氧氣的情況下燃燒時就會發生。例如平時看到的燃燒中的蠟燭，柔和的黃色的光芒來自於火焰內部被加熱到高溫的煙塵顆粒。

對許多人來說，燃燒就像火一樣熟悉，無論是蠟燭還是篝火。燃燒是燃料在主要由氮氣組成的大氣中進行反應的結果。我們呼吸的空氣大約是78%的氮氣，21%的氧氣，還有少量的其他氣體。熟悉的黃色光芒表明這些火焰中正在產生煙灰。

Axelbaum介紹說：如果我們把空氣中的氮氣混合到燃料中，得到與空氣中相同的氮氧混合比例，但這時火焰的結構會發生很大的變化。相同的成分，相同的比例，只是混合方式不同（氮氣分別與氧氣和燃料混合），卻能完全抑制燃燒過程中煙塵的形成。

研究人員將這個過程稱之為「火焰設計」，雖然我們使用的都是相同的材料，卻產生了有無煙塵兩種不同的結果。事實證明，如果設計得當，得到的結果就是永遠不會產生煙塵。而且同時，火焰強度更強，更不容易產生導致不完全燃燒和污染的局部熄滅現象。從這兩點來看，這是一個很好的「火焰設計」。

為什麼要在太空點火呢？

只要人類一直在用火，那麼關於燃燒的性質就始終有一些懸而未決的問題。首先，為什麼將氮氣與燃料混合這種方式下的燃燒就不會產生煙塵？關於這個問題存在著兩種不同的理論。

Axelbaum介紹說：這是一個根本性的問題，有兩種相互競爭的理論來解釋我們的結果。一種理論認為答案與流體產生的流場有關，特別是火焰中氣體的流動。而另一種理論則認為，煙塵的抑制與火焰結構的內在性質有關，而與流體流動無關。如果是這樣，這將對我們如何在燃燒過程中抑制煙塵產生重要影響。

在地球上，當你觀察類似於蠟燭產生的火焰時，你會發現火焰的形狀總是會上升。這是因為火焰中的熱氣體比周圍的空氣輕，所以它們會上升，這就像一個熱氣球。因此，在地球上我們無法系統地控制火焰產生的這種流動。

在空間站上的微重力環境下，重力比在地球上小很多，火焰不會向上流動。所以在實驗中看到的現象是，形成了球形的火焰形。

如果無煙燃燒是流體流場的函數，那麼在微重力條件下，氧氣和混合氮氣的燃料混合物會產生煙塵。但如果煙塵的抑制與火焰結構固有的特性有關，在空間站的實驗中研究人員應該看到沒有煙塵的結果。

研究人員還將測量火焰的持續時間，這可以表明它的強度。他們認為由於火焰的結構不同，它比用氮氣和氧氣（空氣）混合燃燒的火焰更強。

研究人員表示，在太空進行基礎研究，可以加深我們對燃燒科學的了解，去太空進行實驗是為了獲得一個與地球上截然不同的可控環境。所獲得的知識可以讓我們做更多對地球有益的事情，比如產生更為環保的燃燒。

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