Große Feuerbälle: Wie sich Flammen im Weltraum verhalten

Da es sich um eines der ältesten Werkzeuge der Menschheit handelt, könnte man annehmen, dass wir alles über Feuer wissen, was es zu wissen gibt. Und natürlich wissen wir eine Menge: Wenn heiße Luft am Fuß einer Flamme aufsteigt, zieht die Schwerkraft kältere, dichtere Luft an, um sie zu ersetzen. Es ist dieser Luftkreislauf, der frischen Sauerstoff liefert und den Flammen ihre charakteristische Tropfenform verleiht.

Aber in einer Mikrogravitationsumgebung, wie sie Astronauten im Orbit erleben, sind alle Wetten ungültig. Hier dehnt sich heiße Luft immer noch nach außen aus – aber sie bewegt sich nicht nach oben, weil es kein „Nach oben“ gibt. Stattdessen werden Brände im Weltraum nur durch die zufälligen Sauerstoffmoleküle gespeist, die zufällig in sie hineinstolpern.

Es handelt sich um einen Prozess namens molekulare Diffusion, der kugelförmige Flammen erzeugt, die sich in mehr als einer Hinsicht von ihren irdischen Gegenstücken unterscheiden. Sie brennen nicht nur viel langsamer und über einen längeren Zeitraum, sondern kommen auch mit weniger Sauerstoff aus und erreichen eine Temperatur von weniger als 900 Grad Fahrenheit – ein Bruchteil der Hitze, die von den meisten terrestrischen Flammen abgegeben wird.

Und doch gibt es immer noch viele Wissenschaftler, die nicht verstehen, wie Feuer in der Mikrogravitation funktioniert. Sind bestimmte Materialien brennbarer als andere? Wie löscht man eine gefährliche Flamme am besten?

Diese Fragen sind von entscheidender Bedeutung für die Sicherheit von Astronauten, die bereits auf der Internationalen Raumstation (ISS) leben und arbeiten, und werden nur noch wichtiger, wenn sich die Menschen auf längere Weltraumreisen vorbereiten. Glücklicherweise sind NASA-Wissenschaftler mit dem Fall beschäftigt.

Um es klarzustellen: Die Bedrohung ist nicht nur hypothetischer Natur. So kam es 1997 an Bord der russischen Raumstation Mir zu einem Brand; Es entstand in einem Sauerstoffgenerator, der die Module der Station mit giftigem Rauch füllte und den Zugang zu einem Fluchtfahrzeug während der mehrere Minuten dauernden Lebensdauer sperrte.

Einer der Gründe, warum Feuer im Weltraum so gefährlich ist, ist die mangelnde Vorhersehbarkeit. Anders als am Boden, wo die Schwerkraft die Flammen nach oben treibt, können sich Flammen in einer Mikrogravitationsumgebung in jede beliebige Richtung ausbreiten. Das Gleiche gilt für Rauch, was die Platzierung von Rauchmeldern in einer Raumstation (normalerweise an der Decke in den meisten Gebäuden) erheblich erschwert.

Obwohl die Mir-Besatzung die verirrte Flamme schnell mit einem Feuerlöscher löschte und so ihr Wachstum verhinderte, sind Feuerlöscher, die Gase zum Löschen einer Flamme verwenden, im Weltraum weniger wirksam als auf der Erde. Zum einen kann das Gerät die Flammen eines Feuers buchstäblich anfachen, indem es Luft – und damit Sauerstoff – darauf richtet.

Letztlich erlosch die Flamme erst, als der Sauerstoffgenerator leer war. Im Laufe der nächsten Stunden befreiten die Lebenserhaltungssysteme der Station jeglichen Rauch aus der Atmosphäre der Mir und die Besatzung entkam dem Vorfall ohne nennenswerten Schaden an sich selbst oder an der Struktur der Station.

Okay, wir haben festgestellt, dass es eindeutig wichtig ist, diese Lücken in unserem Wissen über das Verhalten von Bränden zu schließen. Wie genau machen Wissenschaftler das nun?

Nun, im Jahr 2008 entwickelte die NASA ihr Combustion Integrated Rack (CIR) und schickte es zur ISS. Die Hardware dient dazu, sicher mit kontrollierten Verbrennungen in der Mikrogravitation zu experimentieren und umfasst eine 26-Gallonen-Brennkammer und fünf verschiedene Kameras, die sich in den letzten 15 Jahren in Tausenden von Tests bewährt haben.

Viele dieser Tests waren Teil des Flame Extinguishment Experiments (FLEX), das etwa ein Jahr später begann. Wie der Name schon sagt, drehten sich diese um das Löschen von Bränden im Weltraum und letztendlich um die Verbesserung der Brandbekämpfungssysteme künftiger Raumfahrzeuge. Mit Hilfe von CIR würden Forscher an Bord der ISS winzige Tröpfchen von Heptan- oder Methanol-Kraftstoff entzünden und die Ergebnisse aufzeichnen.

Daniel Dietrich, ein Wissenschaftler am Glenn Research Center der NASA, sagte der Verwaltung, dass „eine der größten Entdeckungen, nicht nur im Mikrogravitationsprogramm, sondern wahrscheinlich in den letzten 20 bis 30 Jahren der Verbrennungsforschung, während der FLEX-Experimente gemacht wurde.“ die Raumstation.

Die fragliche Entdeckung? Nachdem bestimmte flüssige Brennstoffe im Weltraum erloschen sind, entzünden sie sich spontan wieder. In diesen Fällen brennt die nachfolgende Flamme – eine sogenannte „kühle Flamme“ – bei niedrigeren Temperaturen und ist für das bloße Auge unsichtbar.

Wissenschaftler wissen nicht genau, warum dies geschieht, aber aus praktischer Sicht könnten wir solche Niedertemperaturverbrennungen hypothetisch nutzen, um auf der Erde weniger Luftschadstoffe in Dieselmotoren zu produzieren. Von dieser Realität sind wir weit entfernt, obwohl die im Juni 2021 durchgeführte Forschung einen weiteren großen Sprung machte, als sie das Phänomen mit gasförmigen statt flüssigen Brennstoffen wiederholte.

Das Beste an der Untersuchung von Flammen im Weltraum ist jedoch wohl, dass die fehlende Schwerkraft die Dinge in vielerlei Hinsicht einfacher macht. Während die Kerze auf Ihrem Couchtisch beispielsweise aufgrund einer auftriebsbedingten Instabilität flackern kann, ist dies in der Schwerelosigkeit nicht der Fall.

Eine weitere Reihe von NASA-Studien, die Advanced Combustion via Microgravity Experiments (ACME), nutzten dies, um genauer zu untersuchen, was eine gute Flamme ausmacht – eine, die effizient ist, aber nicht viele Schadstoffe wie Ruß abgibt. Ab 2017 untersuchte ACME über einen Zeitraum von mehr als vier Jahren mehr als 1.500 Flammen im CIR.

Der nächste Schritt in der NASA-Forschung ist SoFIE (Solid Fuel Ignition and Extinction). Diese Reihe von Experimenten, die im Februar 2022 zur ISS gestartet wurden und voraussichtlich bis 2025 andauern werden, werden der Verwaltung dabei helfen, die besten feuerhemmenden Materialien und Designs für „Raumanzüge, Kabinen und Lebensräume“ auszuwählen.

Eine ganze Reihe von Materialien soll getestet werden, darunter Plexiglas und Stoffe auf Baumwollbasis. Anschließend werden die Ergebnisse von SoFIE sogar auf mathematische Modelle angewendet, die vorhersagen, wie dieselben Materialien unter Bedingungen außerhalb der Mikrogravitation verbrennen könnten – einschließlich auf dem Mond, dem Mars oder anderswo in unserem Sonnensystem.

Aber wir hören hier nicht auf: Die Ergebnisse könnten bis auf die Erde zurückreichen, wenn möglicherweise feuersichere Materialien für unsere Häuser, Büros und Flugzeuge erneuert werden. Man könnte sagen, es ist die Version der NASA, Feuer mit Feuer zu bekämpfen.