إشعال الحرائق في الفضاء يساعدنا على إنتاج طاقة أكثر اخضرارًا على الأرض

بقلم:     فيليب بول

ترجمة: دانه الدواس

إذا كنت تطفو في مدار حول الأرض بفقاعة الهواء تدعم الحياة ألا وهي محطة الفضاء الدولية International Space Station (اختصارا: المحطة ISS)، ولا يحيط بها سوى فراغ متجمد، فإن آخر شيء تريده هو حريق على متن المحطة. لذلك، فقد يثير القلق أنه على مدار العقد الماضي أو نحو ذلك، كانت ناسا تشعل النيران هناك عن عمد.

يقول دانيال ديتريش Daniel Dietrich من مركز غلين للأبحاث Glenn Research Center التابع لناسا في كليفلاند بولاية أوهايو: “في أي وقت تذكر فيه إشعال حريق في المحطة  ISS، فإنك ستثير الكثير من الدهشة”.  غير أن  هذه المغامرات الملتهبة الخاصة آمنة تمامًا.

لا يمكن أن تشتعل الحرائق في الفضاء من نفسها لأنه لا يوجد أكسجين، أو أي شيء آخر ، في الفراغ. ولكن داخل المركبة ISS، ومتحررة من الجاذبية، تتصرف ألسنة اللهب بطرق غريبة وجميلة. فهي تحترق في درجات حرارة منخفضة وبأشكال غير مألوفة وتدعمها كيمياء غير عادية.

لكن سبب إشعال ناسا الحرائق في المدار يتجاوز مجرد الجماليات. إنها تسعى إلى فهم أعمق للنار نفسها. فقد بدأت دراسة الاحتراق Combustion في الجاذبية الصغرى Microgravity بتعزيز قدرتنا على تسخير قوتها هنا على أرض صلبة. فقد يحقق ذلك فوائد كبيرة من اللهب الذي ينبعث منه غاز  أقل تلويثًا، أو  قد يمكّن المحركات من العمل بكفاءة أكبر.

في اشتعال النيران

لقد فُتِن البشر بالنار طوال فترة وجودنا تقريبًا. إذ تشير البقايا الأركيولوجية إلى أن أسلافنا سيطروا على النار منذ مليون عام. وكان ذلك مقدمة حاسمة لاختراع الطهي، والذي سمح لنا بالحصول على المزيد من السعرات الحرارية من طعامنا وتقليل مخاطر العدوى من البكتيريا. بل يعتقد بعض الباحثين أن هذا ربما يغير مسار التطور البشري نفسه.

لم تغدُ ألسنة اللهب أقل إثارة للاهتمام بمجرد أن اكتشفنا بعضًا من العلم وراءها. ففي عام 1848، في سلسلة من المحاضرات التوضيحية العامة، استكشف مايكل فارداي Michael Faradayكيمياء الاحتراق Combustion والتنفس باستخدام لهب الشمعة. وحازت تلك التجارب على شعبية كبيرة.

النار هو تفاعل كيميائي يتم فيه إعادة ترتيب الذرات الموجودة في جزيئات الوقود والأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. ولكن هناك تعقيدا مذهلا وراء هذا التحول البسيط ظاهريا . فالوقود يحترق بفعل مزيج من المركبات الكيميائية الوسيطة، والعديد منها غير مستقر للغاية وغير مفهوم بشكل كامل.

ومن الصعب الحصول على فهم تفصيلي لما يجري؛ لأن الاحتراق حساس لتحركات الغازات الساخنة. وهذه الحركات مدفوعة بتيارات الحمل الحراري Convection currents: التدفق الصاعد Upward flow   للهواء الأكثر سخونة والأقل كثافة وهبوط الهواء البارد. فاللهب نفسه يقود هذه التيارات ويتأثر بها. ويقول عالِم الاحتراق بول روني Paul Ronney من جامعة جنوب كاليفورنيا University of Southern California إن دائرة السبب والنتيجة “هذه هي أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل المشكلة صعبة جدا”.

ومع ذلك، فهناك سبب وجيه لبحث المسألة. ربما قطعنا خطوات كبيرة في مجال الطاقة المتجددة، لكن نحو %85 من الطاقة التي نولدها على مستوى العالم لا تزال تأتي من حرق الوقود الأحفوريFossil fuels . وفهم كيفية احتراق هذا الوقود فهمًا أفضل قد تكون له مكاسب ضخمة، مثل مساعدتنا على استخلاص الحرارة بشكل أكثر كفاءة وتجنب هدر الوقود غير المحترق. وهذا يعني أيضًا إنتاج قدر أقل من التلوث – مثل أول أكسيد الكربون والسخام الناتج من الاحتراق غير الكامل. ونظرًا لأن قدرًا كبيرًا من طاقتنا يأتي من حرق الوقود التقليدي، “حتى التحسينات الصغيرة في الكفاءة قد تكون مهمة”، كما يقول دينيس ستوكر Dennis Stocker من مركز غلين للأبحاث.

والسبب في أن دراسة النار في الفضاء جذابة للغاية هو أنه مع انعدام الجاذبية تقريبًا، لا توجد تيارات حمل حرارية Convection currents تعقد الأمور. ومع إزالة دائرة السبب والنتيجة، فمن المفترض أن يكون من الممكن  التوصلُ إلى فهم أعمق لما يحدث بالفعل في اللهب.

وهناك طريقة لمعرفة ما يحدث لشيء ما في الجاذبية الصغرى دون مغادرة الأرض: إسقاطه من علٍ. فهناك برجان في مركز غلين للأبحاث، وهما عبارة عن أنابيب طويلة يمكن أن تسقط فيها التجارب سقوطا حرا لبضع ثوان. وقد استُخدم هذان الأنبوبان لعقود من الزمن لاختبار أداء مكونات المركبات الفضائية في الجاذبية المنخفضة. ومنذ ذلك الحين سمح الباحثون بإسقاط قطرات الميثانول المحترقة عبر الأنبوبين واستخدموا الكاميرات والأدوات الأخرى المدمجة في الحمولة الساقطة لتسجيل النتائج. وبضع ثوانٍ لا تمنحك وقتًا طويلاً، لكن أبراج الإسقاط مكّنت ناسا من إجراء تجارب تمهيدية على النار قبل تجربتها في المدار.

“كشفت التجارب شيئًا غير متوقع: الحرائق في الفضاء قد تنطفئ مرتين”

لا مزيد من الدموع

أشعلت الوكالةُ حرائقَ الفضاء لأول مرة في تسعينات القرن العشرين على متن مكوك الفضاء. ولكن مع التجارب على المحطة ISS بدأت الأبحاث فعليا. وأظهرت هذه الاختبارات أن اللهب في الجاذبية الصغرى يبدو غريبًا جدًا. إنه يحترق على شكل نصف كرة بدلاً من شكل الدمعة المألوف ولا يتوهج باللون الأصفر الفاتح، ولكنَّ له لونا أزرق باهتا. ويرجع اختلاف اللون إلى عدم وجود تيار الحمل الحراري الذي يبثّ الأكسجين المتجدد في اللهب. إذ يمكن للأكسجين أن يدخل اللهب فقط عن طريق الانتشار Diffusion، حيث تتحرك الغازات ببطء من المناطق ذات التركيز الأعلى إلى الأقل. وهذا يحافظ على درجة الحرارة منخفضة ويقلل من إنتاج السخام – إنها الحرارة المتوهجة لجزيئات السخام التي تولِّد اللون الأصفر لبعض اللهب على الأرض.

ففي عام 2009 بدأت ناسا بتجربة إطفاء اللهب Flame Extinguishing Experiment (اختصارا: التجربة FLEX)، والتي تضمنت إشعال قطرات صغيرة من الوقود السائل مثل الميثانول Methanol والهبتين Heptane على متن المحطة ISS. ويتم تحضير التجارب على الأرض في جهاز بحجم أسطوانة الغسالة ثم تُشحن إلى المدار وتجرى عن بُعد من الأرض. ولا يشارك رواد الفضاء كثيرًا في هذه التجارب، بصرف النظر عن تنفيذ الإجراءات الروتينية مثل التنظيف. وأظهرت هذه التجارب أن حرق قطرات الوقود يجب أن يتم ضمن نطاق حجم معين لبقائها مشتعلة. صغيرة جدًا، أقل من ملليمتر أو نحو ذلك، ولا يمكن للأكسجين أن ينتشر في اللهب بالسرعة الكافية. كبيرة جدًا، ويشع اللهب الكثير من الحرارة حتى يظل اللهب ساخنًا بدرجة كافية.

فهذا كان متوقعا. لكن بعد بضع سنوات كشفت التجارب شيئًا غير متوقع: قد تنطفئ النار في الفضاء مرتين. وسوف تحترق القطرات حتى تكون صغيرة جدًا، وعندها يختفي اللهب المرئي. ولكن الاحتراق كان لا يزال مستمراً، على الرغم من أنه لم يكن ينتج أي ضوء. واشتعلت النيران المرئية في درجات حرارة تتراوح بين 1200 و 1700 درجة سيليزية، ومع ذلك وصلت ألسنة اللهب غير المرئية إلى 200 إلى 500 درجة سيليزية فقط. وبينما حرق اللهب الساخن الوقود بالكامل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، كان اللهب البارد غير مكتمل الاحتراق؛ مما أدى إلى إنتاج أول أكسيد الكربون والفورمالدهيد Formaldehyde إضافة إلى جزيئات أخرى. ويقول روني: “كانت النيران الباردة مفاجأة كاملة”. ولا يمكن أن تظهر في تجارب برج الإسقاط لأنها تحتاج إلى نحو دقيقة لتتشكل. ويقول ديتريش: “ونحن نحاول فهمها منذ ذلك الحين”.

يمكن لهذا الاكتشاف البعيد عن الأرض أن يساعد على تحسين التكنولوجيا اليومية: محرك الاحتراق الداخلي Internal combustion engine. فقد علمنا بالفعل أن تفاعلات الاحتراق ذات درجة الحرارة المنخفضة تظهر في محركات السيارات وأنها مسؤولة عن الاختلالات. ولكن ديتريش يقول إنه كان يُنظر إليها دائمًا على أنها خطوة وسيطة في إشعال النيران الساخنة. وقد تكون حقيقة أنها مستدامة بحد ذاتها مفيدة في جيل جديد من محركات الديزل التي تستكشفها شركات مثل شركة نيسان لصناعة السيارات. وتعمل محركات الاشتعال المتجانسة  الضاغطة للشحنة Homogeneous charge compression ignition engines على حرق الوقود المخلوط مسبقًا والهواء في درجات حرارة منخفضة؛ مما تنتج منه نسبة أقل من أكاسيد النيتروجين الملوثة التي تسبب الضباب الدخاني Smog والأمطار الحمضيةAcid rain .

نحت اللهب

لتوليد الطاقة نحرق جميع حالات المادة، وليس السوائل فقط. وتوفر محطات الطاقة التي تعمل بالغاز نحو %25 من الكهرباء في العالم، وتأمل ناسا بأن يتم تحسينها أيضًا من خلال النظر في كيفية احتراق الغاز في الجاذبية الصغرى.

ففي عام 2017  بدأت الأبحاث بتجارب الاحتراق المتقدم في ظروف الجاذبية الصغرى) Advanced Combustion via Microgravity Experiments اختصارا: التجارب  (ACME. ويدور جزء من المشروع حول تصميم ألسنة لهب تشتعل بكفاءة أكبر. ففي اللهب الغازي قد تتشكل جزيئات السخام عندما لا يوجد أكسجين كافٍ للوقود ليحترق تماما، وبدلا من ذلك تتفاعل الجزيئات القائمة على الكربون من الوقود مع نفسها. ويجب أن تساعدنا التجارب ACME على إيجاد المزيج الأمثل من الوقود الغازي والأكسجين والغازات الأخرى التي يمكن استخدامها في محطة توليد الطاقة لتقليل الحرق – وهي معلومة استعصت علينا على الأرض. ويقول ستوكر، وهو أحد أعضاء فريق التجارب ACME :”الجاذبية الصغرى هي بيئة رائعة لدراسة تكوين السخام”. “في الجاذبية العادية، تميل جمع ألسنة اللهب إلى أن تبدو متشابهة إلى حد كبير بسبب هيمنة التأثيرات الناجمة عن الجاذبية.

ستحاول التجارب ACME أيضًا استخدام المجالات الكهربائية لنحت شكل اللهب. وبعض الجزيئات التي يتم إنتاجها بشكل عابر أثناء الاحتراق هي عبارة عن أيونات مشحونة كهربائيًا، ومن ثمَّ يمكن دفعها بواسطة مجال كهربائي. ويمكن لهذه التدفقات أن تجتاح إلى المكونات الغازية الأخرى، بحيث يمكن توجيه اللهب وتغيير شكله. يقول ستوكر: “يمكنك التأثير في شكل اللهب، ودفعها إلى الأسفل باتجاه الموقد أو جعلها تنحني في اتجاه معين”. ويقول إن هذا قد يسمح لنا بالتحكم في تكوين السخام وهندسة اللهب الذي يحترق بوقود أقل مما هو ممكن عادة. كما يقول ستوكر إن الدروس المستفادة من دراسات المجال الكهربائي هذه قد تُنفذ، بنهاية المطاف، في محطات الطاقة التي تعمل بالغاز والأفران الكبيرة الأخرى، على الرغم من أن ذلك قد يكون باهظ التكلفة للاستخدام في الغلاية المنزلية.

وفي العام المقبل سينتقل فريق ناسا للنظر في كيفية احتراق المواد الصلبة في الجاذبية الصغرى. هنا، لن يكون التركيز بشكل مباشر على أساسيات الحريق، ولكن على المخاطر العملية. فالكثير من مكونات المركبات الفضائية عبارة عن مواد صلبة قابلة للاشتعال، وتريد وكالة ناسا معرفة كيفية احتراقها حتى تتمكن من التخفيف من مخاطر الحرائق العرضية (انظر: مشعلات الحريق).

ويتم أحيانًا انتقاد التجارب الفضائية بكونها عبثية. ولكن حرائق الفضاء التابعة لناسا قد تقدم جميع أنواع الفوائد التي يمكن تطبيقها هنا على الأرض. وقال فاراداي في محاضراته: “لا يوجد أفضل من ذلك، لا يوجد باب مفتوح يمكنك من خلاله الدخول في دراسة الفلسفة الطبيعية أكثر من التفكير في الظواهر الفيزيائية للشمعة”. ربما لم يتخيل قطُّ إلى أي مدى سنطور هذه الفكرة.

مشعلات الحريق

فكرة نشوب حريق في محطة الفضاء الدولية (اختصارا: المحطة ISS)، أو على سفينة فضاء مستقبلية تبحر عبر الفضاء بين الكواكب، هي فكرة مخيفة. ولكن في الفضاء لا يتحرك الهواء في تيارات الحمل الحراري كما هي الحال على الأرض، لأنه مع عدم وجود جاذبية فعليًا، لن يرتفع الهواء الأقل كثافة ودفئًا. ومن دون الحمل الحراري لا تتم تغذية الحرائق بسرعة بالهواء المتجدد. لذا هي أقل حدة وتنتشر ببطء أكثر من الحرائق على الأرض.

ومع ذلك، فإن المخاطر هائلة. وقد يؤدي حريق خطير إلى رفع درجة الحرارة الداخلية وضغط المركبة الفضائية، واستخدام الأكسجين الثمين. ولا يمكن موازنة أي من هذا بسرعة عن طريق التنفيس أو إدخال الهواء من الخارج. ومع وجود الكثير من الأجهزة الإلكترونية، ربما لا ترغب في استخدام طفايات حريق المياه لإخمادها. فالإجراء الموصى به للمركبة الفضائية هو إخماد اللهب بطفايات ثاني أكسيد الكربون – ولكن إذا استخدمت الكثير، فإنك تخاطر بالاختناق.

ومما يزيد الأمور سوءا هو أننا لا نعرف حقًا كيف ستندلع الحرائق على المركبات الفضائية. ويقول ديفيد أوربان David Urban ، من مركز غلين للأبحاث Glenn Research Center التابع لوكالة ناسا في كليفلاند بولاية أوهايو،  إن جميع الحرائق التي أشعلت في الفضاء سابقًا “كانت بحجم بطاقة الفهرسة”. “إنها ليست حرائق يمكن أن تخاف منها بشكل خاص، أو أن نقلق بشأنها حقًا.”

ولفهم ذلك، أطلقت ناسا مشروعًا يسمى  سافايرSaffire  بالتعاون مع وكالة الفضاء الأوروبية European Space Agency. ويتضمن ذلك إشعال حرائق كبيرة قد تحدث في حادث على مركبة فضائية. ومن الخطير جدًا القيام بذلك على محطة الفضاء الدولية، لذلك تستخدم كبسولات الشحن كايغنس  Cygnus، التي تنقل الإمدادات إلى محطة الفضاء الدولية، بدلاً من ذلك. ويقول أوربان إنها “مثل شاحنات فيديكس” بالنسبة إلى الفضاء. وفي دورها الطبيعي تُملأ هذه الكبسولات التي تستخدم لمرة واحدة بنفايات محطة الفضاء الدولية، ويسمح لها بالاحتراق في الغلاف الجوي.

لقد أشعلت وكالة ناسا حرائق فيها عدة مرات خلال السنوات القليلة الماضية. ففي تجربة أجريت عام 2017 وجد فريق سافاير أن هذه الحرائق انتشرت ثلاث مرات أبطأ من المتوقع بناءً على التجارب التي أجريت في محطة الفضاء الدولية. كما يبدو أنها توقفت عن التنامي بمجرد وصولها إلى حجم معين. وقد يبدو هذا مرحبًا به، لكنه قد يعني أن أجهزة الكشف عن الدخان على متن المركبات الفضائية يجب أن تكون أكثر حساسية لتطلق تحذير الإنذار في وقت ملائم. وقد يعني أيضًا أن الحرائق تولد المزيد من أول أكسيد الكربون الضار.

في مايو 2020 أجرى فريق سافاير  تجربته الأكثر طموحًا حتى الآن، فملأ كالبسولة كايغنس بعدة عينات من المواد التي يبلغ عرضها ٥٠ سنتيمترًا ليتم حرقها، بما في ذلك مادة من الألياف الزجاجية القطنية التي تحاكي الملابس، والبلاستيك المستخدم في صنع نوافذ محطة الفضاء الدولية. واختبرت المجموعة أيضًا فلترا (مُرشحًا) مصممًا لتنقية الهواء من الدخان. ولا تزال النتائج قيد التحليل، لكن أوربان يقول إن الحرائق “لم تنطفئ بالسرعة التي توقعناها”. ومن المقرر إجراء تجربتين أخريين في أكتوبر وفي وقت ما  بعام 2021.

© 2021, New Scientist, Distributed by Tribune Content Agency LLC