La propagación de llamas en microgravedad

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El fuego es uno de los mayores peligros en las misiones espaciales tripuladas. En la Estación Espacial Internacional (ISS) un experimento estudia llamas en microgravedad, usando varillas de PMMA sometidas a flujo opuesto de un gas inerte. La propagación de la llama está controlada por dos mecanismos de transferencia de calor, llamados régimen térmico y régimen químico. En la Tierra (1g) domina el régimen térmico para flujo opuesto lento; sin embargo, en microgravedad (μg) se observa en dicho caso una transición entre el régimen térmico y el régimen químico. Este resultado confirma las predicciones de los modelos teóricos y permite validar los simuladores por ordenador de la propagación de llama, claves para estudiar diferentes medidas de prevención y conato de incendios.

En el régimen térmico, a velocidad baja de flujo opuesto (menor de unos 20 cm/s a 1g), el aumento de la velocidad de flujo opuesto acerca la llama a la superficie sólida, aumenta la transferencia de calor con el sólido, contrarresta las pérdidas de calor superficiales y mejora la pirólisis sólida. Como resultado la tasa de propagación de la llama aumenta a medida que lo hace la velocidad de flujo opuesto. En el régimen químico, a bajas concentraciones de oxígeno, o a gran velocidad de flujo opuesto (mayor de unos 20 cm/s a 1g), al crecer la velocidad de flujo opuesto la llama se enfría por convección y se ralentiza la reacción química en fase gaseosa. Como resultado la llama se debilita, propagándose más lenta hasta acabar extingida. En microgravedad la transición entre ambos regímenes se observa a menores velocidades de flujo opuesto, incluso a altas concentraciones de oxígeno.

La ignición de un material combustible en microgravedad es más rápida y el fuego resultante es más difícil de extinguir. Por ello, estos estudios experimentales prometen futuras mejoras en la seguridad contra incendios en naves espaciales tripuladas. El artículo es Shmuel Link, Xinyan Huang, …, Paul Ferkul, “The Effect of Gravity on Flame Spread over PMMA Cylinders,” Scientific Reports 8: 120 (11 Dec 2018), doi: 10.1038/s41598-017-18398-4.

Dibujo20180111 Microgravity Science Glovebox in International Space Station Scientific Reports 41598_2017_18398

En las misiones espaciales tripuladas se usan atmósferas artificiales con menor presión que la terrestre y mayor concentración de oxígeno. Bajo estas condiciones crece el riesgo de incendio; para evitarlo lo mejor es que nunca se produzca una chispa que provoque una ignición. Por desgracia, no existe el riesgo cero, por lo que hay que estudiar cómo se propaga la llama en un material sólido tras una ignición accidental. Recuerda que la combustión es una reacción exotérmica entre un combustible y un oxidante que ocurre en fase gaseosa; si el combustible está en fase sólida debe vaporizarse antes de reaccionar. Por ello, la físicoquímica de la propagación de una llama es complicada y depende de muchos parámetros.

El ingeniero aeronáutico español A. Carlos Fernández-Pello, afincado en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de California en Berkeley, lleva dos décadas estudiando la propagación de llamas en microgravedad por métodos teóricos. Ahora lidera el grupo de investigación experimental responsable de los primeros estudios experimentales en la ISS. El proyecto BAS-II (Burning and Suppression of Solids-II) estudia la propagación de llamas en barras cilíndricas de PMMA de color negro sometidas a un flujo de nitrógeno en dirección opuesta a la de propagación de la llama. El experimento se realiza de forma segura dentro de la MSG (Microgravity Science Glovebox) del Laboratorio Destiny de la ISS, aunque requiere de la supervisión de un astronauta (lo que limita el número de experimentos que se pueden realizar pues su tiempo está muy solicitado).

Dibujo20180111 microgravity flame spreed two oxygen concentrations Scientific Reports 41598_2017_18398

Esta fotografía muestra dos resultados experimentales en microgravedad, para una concentración de oxígeno del 18,2% (arriba) y del 17,5% (abajo). La llama se propaga hacia abajo (en la figura) conforme consume la barra del termoplástico (PMMA). En la dirección opuesta (hacia arriba en la figura) se inyecta nitrógeno (un gas inerte para la combustión) mediante un ventilador de velocidad variable controlada; conforme baja la velocidad del ventilador, baja la velocidad del aire inyectado en dirección opuesta al flujo de la llama, luego ésta baja su temperatura (su color se vuelve más azul) y se propaga (hacia abajo) una mayor distancia. Todo el experimento se ha filmado con una cámara Nikon D300 de 12,3 megapíxeles; los resultados experimentales se obtienen mediante el análisis de las imágenes y su comparación con las predicciones teóricas.

Los resultados en microgravedad se han comparado con los obtenidos en un dispositivo experimental gemelo situado en Tierra (a gravedad normal de 1 g). Los ensayos en ambos casos se realizaron con varillas de PMMA negro de extremos redondeados (hemisféricos) con diámetros de 6,4 mm, 9,5 mm y 12,7 mm, cuya longitud era de 57,2 mm. La concentración de oxígeno (su fracción en volumen) se varió entre el 16% y el 21%, y las velocidades de flujo opuesto se variaron entre 0,4 cm/s y 8 cm/s. Esta velocidad se redujo minuto a minuto (como ilustra la figura de arriba) con objeto de observar la la extinción de la llama.

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Esta figura ilustra el cambio de régimen entre térmico y químico en microgravedad (izquierda) y bajo gravedad terrestre (derecha); en est último caso, el régimen térmico está dominado por la flotabilidad (la llama sube hacia arriba a una velocidad de unos 30 cm/s) por lo que también se llama régimen de flotabilidad. En microgravedad hay pocos puntos experimentales (cada punto corresponde a tres experimentos con los mismos parámetros) para reducir el tiempo de astronauta todo lo posible.

Un punto importante es que tanto en microgravedad como a gravedad terrestre la propagación de la llama es más rápida para una concentración de oxígeno más alta. Para una concentración de oxígeno XO2 = 21%, la propagación de la llama es más rápida en gravedad normal que en microgravedad, pero por debajo de XO2 = 19% es más rápida en microgravedad. Más aún, en microgravedad la llama se propaga incluso a XO2 = 17%, cuando a gravedad normal por debajo de XO2 = 18% no puede existir la llama. Por tanto, el riesgo de incendio es mayor en microgravedad que en la Tierra. En la práctica esto significa que para apagar un incendio en microgravedad se requiere una mayor cantidad de agentes de extinción (gases como CO2, He o vapor de agua).

En resumen, un curioso estudio liderado por un español que puede tener importantes repercusiones para las misiones espaciales tripuladas. En mi opinión, lo más relevante es que se confirman los modelos teóricos, lo que garantiza que se pueden usar para estudiar diferentes métodos de extinción de incendios.

[PS] Por cierto, los experimentos en microgravedad se pueden realizar aprovechando la caída libre (eso sí, a escalas de tiempo más cortas en la ISS). Nos lo ilustra muy bien el siguiente vídeo de la genial Dianna Cowern, @thephysicsgirl, que nos recomienda Cientófilo, @Le_Incompetent. En el vídeo se realiza un experimento a cámara lenta con una GoPro y una vela dentro de una caja que se arroja en caída libre.

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3 comentarios

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David Bravo David Bravo

En este sentido son muy llamativos e interesantes los resultados de experimentos con fuego a gran escala en las naves Cygnus (SAFFIRE I-III). He encontrado esta presentación con resultados, aunque parece que aún no está publicado en forma de paper (pero es más conciso, para compensar): https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/c...0008805.pdf

pipipi pipipi

Excelente artículo, tenía pensado sugerirselo a Daniel Marin, pero ya que te has adelantado me doy por satisfecho, jajaja, un saludo.

Joaquin Vela Fernandez Joaquin Vela Fernandez

Curiosamente, estoy escribiendo un trabajo de antropología en el que planteo que el “fuego” es un concepto dominado por el principio antrópico, aunque su percepción como tal es compartida por otros seres vivos.
El fuego, la llama como parte del mismo, debería su naturaleza a:
-La presión parcial de cada uno de los gases que permite nuestra supervivencia.
-El rango de temperatura, y las radiaciones y la intensidad de las mismas que podemos soportar.
-El rango del espectro visible.
-Los materiales que nos rodean, naturales o no, y la composición de nuestros organismos.
Qué opina un físico de esto?

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