Czy w kosmosie można rozpalić ogień? Eksperymenty z płomieniem na stacji ISS

Czy w kosmosie w ogóle da się rozpalić ogień?

Dlaczego pytanie o ogień w kosmosie nie jest wcale banalne

Ogień na Ziemi wydaje się czymś oczywistym: zapałka, zapalniczka, świeczka – i już. W warunkach kosmicznych sytuacja robi się znacznie bardziej skomplikowana. Brakuje grawitacji, powietrze zachowuje się inaczej, a każda iskra w szczelnej, wypełnionej tlenem stacji orbitalnej jest potencjalnym zagrożeniem dla całej załogi. Mimo to astronauci od lat przeprowadzają kontrolowane eksperymenty z płomieniem na stacji ISS, aby zrozumieć, jak ogień zachowuje się w mikrograwitacji.

Żeby odpowiedzieć na pytanie, czy w kosmosie można rozpalić ogień, trzeba rozdzielić dwie sytuacje. Pierwsza: otwarta przestrzeń kosmiczna, próżnia wokół statku czy stacji. Druga: wnętrze samej stacji kosmicznej, np. Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), gdzie astronautów otacza mieszanka gazów pod ciśnieniem zbliżonym do ziemskiego. W tych dwóch środowiskach ogień zachowuje się skrajnie różnie – i to właśnie zderzenie intuicji z fizyką sprawia, że temat jest tak ciekawy.

Ogień a warunki niezbędne do spalania

Każdy płomień – czy to świeczki, czy silnika rakietowego – potrzebuje trzech elementów, które tworzą tzw. trójkąt spalania:

• paliwa – substancji, która się spala (np. gaz, papier, benzyna);
• utleniacza – najczęściej tlenu, który łączy się chemicznie z paliwem;
• źródła zapłonu – iskry, płomienia, wysokiej temperatury.

Jeśli zabraknie choć jednego z tych elementów, ogień nie powstanie lub zgaśnie. W otwartej przestrzeni kosmicznej jest praktycznie próżnia, czyli brak powietrza i brak tlenu. Można mieć idealne źródło zapłonu i paliwo, ale bez utleniacza spalanie nie ruszy. Dlatego „klasyczny” ogień, taki jak znamy z Ziemi, w próżni kosmicznej zwyczajnie nie może istnieć.

Natomiast wewnątrz stacji kosmicznej warunki są zupełnie inne. Jest powietrze z tlenem, jest paliwo (np. tworzywa sztuczne, elementy wyposażenia, papier, tkaniny), wystarczy iskra. Z punktu widzenia fizyki nic nie stoi na przeszkodzie, żeby ogień w kosmosie się pojawił. Problem w tym, że w mikrograwitacji mechanizmy kontroli ognia, znane z Ziemi, przestają działać tak, jak je zaprojektowano. Stąd ogromna ostrożność i – paradoksalnie – właśnie dlatego na ISS ogień jest regularnie badany w sposób bardzo kontrolowany.

Próżnia a zamknięta stacja orbitalna – dwa różne światy

Warto jasno rozgraniczyć dwie sytuacje, które często się mylą w popularnych wyobrażeniach.

• Próżnia kosmiczna na zewnątrz statku/stacji
  Tam nie ma praktycznie żadnego gazu, a więc brak utleniacza. Jeśli statek kosmiczny „płonie” na filmie w próżni jak drewniany dom – to czysta fikcja. W rzeczywistości możliwe jest spalanie jedynie tam, gdzie paliwo zawiera własny utleniacz (np. paliwo rakietowe), ale to bardziej reakcja wewnętrzna niż płomień w otoczeniu.
• Wnętrze ISS i innych stacji
  Tutaj ciśnienie i skład powietrza przypominają Ziemię. Tlen jest obecny, więc ogień jest jak najbardziej możliwy. Problemem jest nie tyle „czy” może płonąć, ale jak będzie płonąć i jak go opanować w warunkach mikrograwitacji.

W efekcie, gdy mówi się o „ogniu w kosmosie”, niemal zawsze chodzi właśnie o płomienie badane wewnątrz stacji kosmicznych, takich jak ISS, w kontrolowanych eksperymentach lub – w najgorszym scenariuszu – w awariach czy pożarach.

Jak ogień zachowuje się na Ziemi, a jak w mikrograwitacji?

Co tworzy kształt płomienia na Ziemi?

Na Ziemi płomień świeczki ma charakterystyczny kształt „łezki” czy „płomyka” zwężającego się ku górze. Ten kształt nie wynika z samej chemii spalania, ale głównie z grawitacji i ruchu powietrza.

Pod wpływem ciepła gorące gazy nad płomieniem rozszerzają się, robią się lżejsze i unoszą się ku górze. Na ich miejsce od spodu napływa chłodniejsze powietrze bogate w tlen. Tworzy się ciągły obieg – konwekcja – który:

• karmi płomień świeżym tlenem,
• odprowadza produkty spalania (dwutlenek węgla, parę wodną, dym),
• nadaje płomieniowi kierunek i kształt – „płomień rośnie do góry”.

Im silniejsza konwekcja (np. przy większym płomieniu), tym bardziej płomień jest wydłużony i dynamiczny. Nawet delikatny przeciąg w pokoju zmienia jego kształt – ogień jest wrażliwy na każdy ruch powietrza. Bez grawitacji ten cały mechanizm przestaje działać.

Dlaczego na ISS płomień jest kulą, a nie łezką?

W środowisku mikrograwitacji, takim jak wnętrze Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, grawitacja jest praktycznie „wyłączona” (w rzeczywistości stacja nie jest bezgrawitacyjna, ale wszystko jest w stanie ciągłego spadania, co daje efekt nieważkości). Ogień traci swój „kompas” kierunkowy: góra–dół przestaje mieć znaczenie.

Gorące gazy nie unoszą się nad płomieniem, bo nie ma siły, która by je do tego zmuszała. Nie powstaje klasyczna kolumna konwekcyjna, a powietrze wokół płomienia nie krąży w typowy ziemski sposób. Zamiast wyciągniętego ku górze płomienia pojawia się mała, niemal idealnie kulista poświata. Wygląda to, jakby mała niebiesko-żółta kula spokojnie „wisiała” wokół knota czy dyszy z paliwem.

Badania na ISS pokazały, że w mikrograwitacji płomienie są zwykle:

• mniejsze i niższe niż na Ziemi przy tym samym paliwie,
• chłodniejsze na obrzeżach,
• częściej niebieskie (a nie pomarańczowo-żółte),
• bardziej stabilne i mniej „tańczące”.

Ten kulisty kształt wynika z tego, że dyfuzja (powolne mieszanie się cząsteczek) staje się dominującym sposobem transportu tlenu do płomienia i odprowadzania produktów spalania. Gaz nie „ucieka” do góry – rozprasza się równomiernie wokół płomienia.

Rola konwekcji i dyfuzji w kosmicznym ogniu

Na Ziemi konwekcja jest bardzo efektywnym mechanizmem doprowadzania tlenu do płomienia. W nieważkości konwekcja praktycznie zanika, więc dyfuzja zaczyna grać pierwsze skrzypce.

Można to uprościć następująco:

• Na Ziemi – gorące gazy unoszą się do góry, chłodne powietrze z tlenem napływa od dołu. Tlen jest stale „dostarczany” do paliwa, spalanie jest intensywne, płomień często jest jasny i wysoki.
• Na ISS – wymiana gazów jest powolna i zależy głównie od przypadkowego ruchu cząsteczek i sztucznej cyrkulacji powietrza (wentylatory). Spalanie jest łagodniejsze, płomień niższy, ale za to może być bardziej „uparty” – trudniej go zgasić samą grawitacją, bo jej tam nie ma.

W praktyce oznacza to, że ogień w mikrograwitacji łatwiej się „dusi” lokalnym brakiem tlenu, ale kiedy już płonie, może rozprzestrzeniać się w sposób mniej oczywisty, np. wzdłuż powierzchni materiału zamiast „do góry”. To jedno z najważniejszych odkryć eksperymentów z płomieniem na ISS, które ma bezpośrednie przełożenie na bezpieczeństwo misji kosmicznych.

Eksperymenty z płomieniem na stacji ISS – po co bada się ogień w kosmosie?

Bezpieczeństwo pożarowe w kosmosie jako priorytet

Wnętrze stacji kosmicznej to zamknięty, wypełniony tlenem „kontener” pełen elektroniki, kabli, tworzyw sztucznych i materiałów izolacyjnych. Pożar na ISS byłby skrajnym zagrożeniem: nie ma gdzie uciec, a dym i toksyczne gazy szybko wypełniłyby wszystkie moduły. Jednocześnie całkowite wyeliminowanie ryzyka iskry jest nierealne – sprzęt elektryczny może się zepsuć, przewody mogą się przegrzać, człowiek może popełnić błąd.

Dlatego agencje kosmiczne (NASA, ESA, JAXA, CSA, Roskosmos) inwestują ogrom pracy w badania zachowania płomienia w mikrograwitacji. Celem jest nie tylko zrozumienie samej fizyki spalania, ale przede wszystkim:

• dobór materiałów, które trudniej zapalają się w nieważkości,
• projekt skutecznych systemów wykrywania dymu i gazów,
• stworzenie metod gaszenia pożaru w zamkniętej przestrzeni orbitalnej.

Dlaczego testy na Ziemi nie wystarczają

Symulacja długotrwałej mikrograwitacji na Ziemi jest trudna. Istnieją co prawda:

• wieże zrzutowe (krótkotrwały swobodny spadek),
• samoloty wykonujące loty paraboliczne (kilkadziesiąt sekund nieważkości),
• numeryczne symulacje komputerowe.

Każda z tych metod ma ograniczenia. Wieża zrzutowa czy loty paraboliczne dają maksymalnie kilkanaście–kilkadziesiąt sekund mikrograwitacji. Dla wielu procesów spalania to zbyt mało, by zobaczyć pełny rozwój płomienia, rozprzestrzenianie się ognia czy długotrwałe oddziaływanie gazów. Modele komputerowe natomiast muszą być oparte na danych eksperymentalnych – bez nich są tylko teoretycznym ćwiczeniem.

Stąd Międzynarodowa Stacja Kosmiczna stała się idealnym miejscem do prowadzenia eksperymentów z płomieniem. Umożliwia:

• wielominutowe i wielogodzinne obserwacje spalania,
• precyzyjne sterowanie dopływem paliwa i tlenu,
• rejestrowanie danych za pomocą kamer wysokiej rozdzielczości, czujników temperatury i składu chemicznego gazów.

Główne programy badawcze: FSL, BASS, Saffire i inne

Na ISS przeprowadzono i przeprowadza się wiele programów badawczych poświęconych spalaniu. Do najważniejszych należą m.in.:

• FSL (Flame Science Laboratory / Fluid Science Laboratory) – zestaw sprzętu do badań płomieni i płynów w mikrograwitacji, zlokalizowany w europejskim module Columbus.
• BASS (Burning and Suppression of Solids) – seria eksperymentów NASA badająca, jak ciała stałe (np. tkaniny, tworzywa) zapalają się i jak płomień rozprzestrzenia się po ich powierzchni w nieważkości.
• Saffire (Spacecraft Fire Safety) – seria dużych eksperymentów prowadzonych nie na ISS, ale na niezamieszkanych statkach zaopatrzeniowych po odłączeniu od stacji. Pozwala na celowe wywoływanie większych pożarów w kontrolowanych warunkach.

Te projekty w praktyce odpowiadają na pytanie: jak bardzo ogień w kosmosie różni się od ognia ziemskiego i jak zapobiegać katastrofom na pokładzie stacji.

Jak dokładnie wygląda płomień w mikrograwitacji? Konkrety z ISS

Świeczka w kosmosie – eksperymenty z małym płomieniem

Jednym z najbardziej obrazowych eksperymentów jest zapalenie czegoś, co przypomina „kosmiczną świeczkę”. Na ISS nie używa się klasycznych świec parafinowych ze względu na bezpieczeństwo, ale konfiguracje są podobne: niewielkie paliwo stałe lub ciekłe i knot, który można zapalić iskiernikiem.

Gdy taki „płomyk” zapala się w module badawczym ISS, obserwuje się:

• kulisty, niebieskawy płomień otaczający knot stosunkowo równomiernie,
• brak wyraźnej, żółtej, migoczącej części płomienia znanej z Ziemi,
• mniejszą ilość widocznego dymu (choć produkty spalania i tak się wytwarzają).

Dlaczego kosmiczny płomień jest bardziej niebieski niż żółty?

Kolor płomienia to wynik kilku nakładających się zjawisk. Na Ziemi żółtawa barwa świecy bierze się głównie z rozżarzonych cząstek sadzy, które emitują światło, gdy są podgrzane do wysokiej temperatury. W miarę jak niesione konwekcją wędrują ku górze, nagrzewają się jeszcze bardziej i świecą intensywnie w zakresie żółto-pomarańczowym.

W mikrograwitacji przebieg spalania jest spokojniejszy i bardziej „czysty”. Paliwo i tlen mieszają się powoli przez dyfuzję, więc:

• tworzy się mniej sadzy,
• cząstki sadzy nie są gwałtownie wynoszone z obszaru płomienia,
• więcej energii promieniowane jest w postaci niebieskawego światła typowego dla reakcji gazowych.

Dominują emisje od pobudzonych cząsteczek (np. fragmentów węglowodorów i rodników OH), które świecą w krótszych falach. Stąd w wielu nagraniach z ISS widać „mglistą”, bladoniebieską kulę – nietypową dla codziennego doświadczenia, ale całkowicie zgodną z chemią płomienia.

Cichy płomień – zjawisko „cool flames” w nieważkości

Jednym z najbardziej zaskakujących odkryć z ISS były tzw. cool flames – „zimne płomienie”. To obszary spalania, które:

• mają znacznie niższą temperaturę niż zwykły, widoczny płomień,
• są prawie niewidoczne gołym okiem,
• jednak wciąż zachodzi w nich powolna reakcja utleniania paliwa.

Podczas niektórych eksperymentów z kroplami paliwa ciekłego (np. heptanu) zaobserwowano, że gdy jasny płomień gaśnie, spalanie nie zatrzymuje się całkowicie. Paliwo dalej znika, a analiza chemiczna pokazuje obecność produktów reakcji – tyle że bez charakterystycznego żółtego światła i przy niższej temperaturze.

Na Ziemi takie zjawiska są niezwykle trudne do wychwycenia, bo konwekcja szybko „rozwiewa” warunki sprzyjające istnieniu cool flames. W mikrograwitacji warstwa gazów wokół paliwa utrzymuje się dłużej, więc reakcje o niższej temperaturze mają szansę się ustabilizować. To temat bardzo ważny dla inżynierów silników spalinowych i rakietowych, bo zrozumienie niskotemperaturowych etapów spalania może pomóc zmniejszyć emisję sadzy i tlenków azotu.

Jak wypala się kropla paliwa w stanie nieważkości

Kolejnym klasycznym doświadczeniem jest zapalenie pojedynczej kropli paliwa zawieszonej na cienkim włóknie lub utrzymywanej metodami elektrostatycznymi. W warunkach mikrograwitacji kropla zachowuje niemal idealnie kulisty kształt, a płomień otacza ją jak świetlista otoczka.

Okazuje się, że tempo, w jakim kropla maleje, dobrze opisuje tzw. prawo d²: kwadrat średnicy kropli zmniejsza się w czasie w przybliżeniu liniowo. Choć to prawo znano już wcześniej z badań naziemnych, mikrograwitacja pozwala śledzić ten proces bez zakłóceń od konwekcji, co daje czystsze dane do modeli spalania.

Dzięki temu można dokładniej mierzyć:

• jak zmienia się skład mieszaniny paliwo–powietrze w otoczeniu kropli,
• kiedy i dlaczego przejście od jasnego płomienia do „zimnego” spalania następuje,
• jak różne paliwa (np. alkohole, węglowodory) reagują na brak grawitacyjnego mieszania gazów.

Te dane trafiają później do symulacji pracy silników – zarówno samochodowych, jak i lotniczych czy rakietowych. Choć badanie „kropli w kosmosie” brzmi abstrakcyjnie, jest bezpośrednio powiązane z tym, ile paliwa faktycznie spala się w cylindrze albo komorze spalania i jakie powstają zanieczyszczenia.

Jak rozprzestrzenia się płomień po materiale w nieważkości

W eksperymentach BASS i pokrewnych bada się zapłon i rozprzestrzenianie płomienia po paskach tkanin, tworzywach i kompozytach. Na Ziemi ogień idzie do góry, bo konwekcja ciągnie płomień w stronę świeżego tlenu powyżej materiału. W mikrograwitacji sytuacja jest inna:

• płomień może pełzać w bok lub wzdłuż powierzchni,
• kierunek rozprzestrzeniania bardziej zależy od przepływu powietrza z wentylatorów niż od „góry” i „dołu”,
• płonie często cienka warstewka gazów tuż nad materiałem, tworząc płaski, przylegający płomień.

W jednym z typowych scenariuszy badawczych materiał jest umieszczony w zamkniętej komorze, a przepływ powietrza ustawiany jest na bardzo niską prędkość. Ogień nie wznosi się kolumną, tylko tworzy wąską strefę żarzenia i przesuwający się front płomienia. Dla inżynierów to sygnał, że:

• niektóre tkaniny mogą wydawać się bezpieczne na Ziemi, ale w mikrograwitacji ich zachowanie będzie zupełnie inne,
• ocena palności materiałów musi uwzględniać warunki przepływu powietrza na pokładzie, a nie tylko testy pionowe i poziome w laboratorium naziemnym.

Zarówno dobór obicia foteli, jak i izolacji kabli czy paneli ściennych na ISS i przyszłych stacjach orbitalnych opiera się dzisiaj na wynikach takich właśnie badań.

Jak astronauci wykrywają ogień i dym na ISS

Mikrograwitacja zmienia nie tylko sam płomień, ale też dym i produkty spalania. Na Ziemi dym unosi się pod sufit, więc czujniki często montuje się wysoko. W kosmosie cząsteczki dymu i gazów:

• rozpraszają się bardziej równomiernie w objętości modułu,
• są dodatkowo „zamiatane” przez systemy wentylacji, które wymuszają przepływ powietrza w określonych kierunkach.

Dlatego detektory dymu i gazów na ISS rozmieszczono w miejscach, gdzie przepływy powietrza koncentrują potencjalne zanieczyszczenia: przy wlotach filtrów, kanałach wentylacyjnych, w kluczowych modułach laboratoryjnych. Sam system monitoruje nie tylko obecność cząstek dymu, ale też:

• stężenia tlenku węgla i dwutlenku węgla,
• spadek zawartości tlenu,
• zmiany ciśnienia i temperatury.

Jeśli alarm wykryje podejrzaną anomalię, załoga przechodzi według ściśle opracowanej procedury: od szybkiej lokalizacji źródła zagrożenia, przez przełączenie systemów wentylacji, po przygotowanie się do użycia gaśnic lub ewakuacji do statków ratunkowych (np. Dragon lub Sojuz).

Jak gasi się ogień na orbicie

Tradycyjne metody gaśnicze trzeba było zaadaptować do warunków kosmicznych. Na ISS używa się kilku rozwiązań równolegle, w zależności od skali i rodzaju pożaru.

Najprostsze i najważniejsze podejście to odcięcie dopływu tlenu lub paliwa. Jeżeli pali się np. sprzęt elektroniczny:

• odłącza się zasilanie w danym obwodzie,
• zamykane są klapy wentylacyjne, by ograniczyć dostarczanie świeżego powietrza,
• zastosowana zostaje odpowiednia gaśnica (na ISS są m.in. gaśnice CO₂ i halonowe/bromowane zamienniki).

Na Ziemi piany i proszki gaśnicze często opadają grawitacyjnie i tworzą warstwę odcinającą ogień od powietrza. W mikrograwitacji każda wyrzucona cząstka może swobodnie unosić się w kabinie, więc substancje gaśnicze dobiera się tak, by:

• ograniczyć zanieczyszczenie sprzętu i filtrów,
• nie stwarzać dodatkowego zagrożenia dla układu oddechowego załogi.

Z tego powodu chętnie stosuje się gazy obojętne i CO₂, które wypierają tlen z otoczenia płomienia. Jednocześnie systemy podtrzymywania życia są w stanie po jakimś czasie „przepłukać” atmosferę stacji i przywrócić prawidłowe proporcje gazów.

Eksperymenty Saffire pokazały, że samo wyłączenie wentylacji może czasem pomóc „zdusić” ogień, ponieważ bez wymuszonego przepływu tlenu płomień łatwo wpada w stan deficytu tlenu i wygasa. To jednak broń obosieczna – przy większym pożarze może dojść do nagromadzenia toksycznych gazów w jednym module, dlatego procedury są bardzo dokładnie przećwiczone jeszcze przed startem załogi.

Jak wyniki eksperymentów z ISS trafiają na Ziemię

Choć badania spalania w kosmosie powstały z myślą o bezpieczeństwie astronautów, efekty wracają do technologii naziemnych. Dane z ISS i misji pokrewnych wykorzystuje się m.in. do:

• ulepszania modeli numerycznych spalania w silnikach i kotłach przemysłowych,
• opracowywania czystszych paliw i dodatków ograniczających powstawanie sadzy,
• projektowania nowych materiałów samogasnących lub trudnopalnych, testowanych później także pod kątem zastosowań w lotnictwie czy budownictwie.

Dane pomiarowe z eksperymentów – przebiegi temperatur, składów gazów, prędkości rozprzestrzeniania się płomienia – trafiają na Ziemię w postaci dużych pakietów telemetrii. Zajmują się nimi zespoły specjalistów od spalania, materiałoznawców i inżynierów bezpieczeństwa pożarowego. Nieraz jeden kilkuminutowy test z ISS potrafi dostarczyć materiału do analizy na wiele miesięcy pracy.

Ogień a przyszłe misje księżycowe i marsjańskie

ISS jest poligonem przed budową długotrwałych habitatów – na orbicie Księżyca, na jego powierzchni czy w końcu na Marsie. Tam warunki będą inne niż w mikrograwitacji LEO (niskiej orbity okołoziemskiej):

• na Księżycu grawitacja wynosi około 1/6 g,
• na Marsie około 1/3 g,
• ciśnienie i skład atmosfery w habitat ach będą zależeć od przyjętych założeń inżynierskich.

W takich warunkach konwekcja częściowo powróci, ale będzie słabsza niż na Ziemi. Spalanie przy 1/3 g czy 1/6 g nie będzie więc identyczne ani z ziemskim, ani z tym z ISS. Wiedza zdobyta w mikrograwitacji pomaga jednak wyznaczyć dwa skrajne punkty odniesienia – klasyczne 1 g i niemal 0 g. Między nimi łatwiej budować modele dla pośrednich wartości grawitacji.

Projektanci przyszłych baz muszą odpowiedzieć na konkretne pytania:

• Jak ułoży się dym w pomieszczeniu przy 0,3 g?
• Czy czujniki dymu montować „pod sufitem”, czy raczej w kanałach wentylacyjnych, jak na ISS?
• Jakie materiały na ściany i meble zachowają się najbezpieczniej przy innych ciśnieniach i składzie atmosfery?

Bez doświadczeń z ISS odpowiedzi na te pytania byłyby czysto teoretyczne. Teraz można opierać się na realnych danych z tysięcy godzin spalania w warunkach nieważkości.

Czy w kosmosie da się „normalnie” rozpalić ognisko?

Jeśli przez „ognisko” rozumieć stos drewna płonący jak na biwaku, odpowiedź brzmi: nie w otwartym kosmosie. Poza stacją nie ma tlenu, więc żaden klasyczny płomień nie przetrwa. Nawet wewnątrz habitatu otwarte paleniska byłyby zbyt dużym ryzykiem:

• zużywają tlen potrzebny do oddychania,
• wytwarzają sadzę i toksyczne gazy,
• trudno nad nimi zapanować przy ograniczonej objętości i systemach wentylacyjnych.

Dlatego wszelkie procesy „z ogniem” w kosmosie – od silników rakietowych po małe eksperymenty laboratoryjne – odbywają się w ściśle kontrolowanych komorach, z precyzyjnie dobranym składem gazów, temperaturą i zabezpieczeniami. Ognisko na Marsie pozostanie raczej symbolem w literaturze science fiction niż realnym elementem projektu bazy.

Dlaczego fascynuje nas płomień na orbicie

Ogień w kosmicznych eksperymentach poza ISS

Stacja ISS to nie jedyne miejsce, gdzie bada się spalanie w warunkach kosmicznych. Część testów, których nie dałoby się bezpiecznie przeprowadzić w zamieszkałym module, realizuje się na bezzałogowych statkach zaopatrzeniowych. Po odcumowaniu od stacji pełnią one rolę tymczasowych laboratoriów, a po zakończeniu eksperymentów kontrolowanie spalają się w atmosferze.

Tak działały m.in. serie badań Saffire prowadzone na statkach Cygnus. W ich trakcie:

• w hermetycznych komorach umieszczano pasy materiałów i tworzyw,
• sterowano składem atmosfery (zawartością tlenu i ciśnieniem),
• rejestrowano rozprzestrzenianie się płomienia przy braku grawitacji,
• monitorowano temperaturę i powstawanie dymu za pomocą zestawu czujników i kamer.

Dzięki temu można było badać pożary o znacznie większej energii niż na ISS, bez narażania załogi. To właśnie te doświadczenia pozwoliły lepiej zrozumieć, jak zachowa się ogień w dużych przestrzeniach przyszłych habitatów oraz jak szybko mogą rozprzestrzeniać się pożary w warunkach nieważkości.

Podobny cel mają też eksperymenty prowadzone podczas krótkich okresów nieważkości w lotach parabolicznych i na specjalnych platformach suborbitalnych. Tam „okno” na obserwację płomienia trwa zaledwie kilkanaście–kilkadziesiąt sekund, ale za to można powtarzać testy wielokrotnie, dobierając różne paliwa i warunki początkowe.

Symulowanie kosmicznego płomienia na Ziemi

Badaczy nie zawsze stać na wysłanie eksperymentu w kosmos, więc część zjawisk próbuje się odtworzyć w laboratoriach naziemnych. Nie da się usunąć grawitacji, ale można ją w pewnym sensie „przykryć” innymi efektami. Stosuje się kilka trików:

• bardzo silne przepływy powietrza w tunelach spaleniowych, które dominują nad naturalną konwekcją,
• komory wysokociśnieniowe, gdzie zmienia się gęstość gazu, wpływając na sposób unoszenia się gorących produktów spalania,
• modele numeryczne CFD kalibrowane danymi z ISS, a następnie używane do „podmiany” przyspieszenia grawitacyjnego w obliczeniach.

W praktyce badacz, który projektuje materiał na obicie siedzeń do przyszłego statku, może:

1. przeprowadzić klasyczne testy palności w 1 g,
2. skorzystać z danych z mikrograwitacji (ISS i Saffire),
3. uruchomić symulacje komputerowe dla pośrednich poziomów g,
4. wytypować kilka najbezpieczniejszych wariantów do dalszych badań.

Takie podejście ogranicza liczbę drogich eksperymentów w kosmosie, a jednocześnie pozwala korzystać z doświadczeń zdobytych na orbicie. Bez nich modele komputerowe byłyby tylko elegancką teorią bez realnej weryfikacji.

Płomień jako narzędzie naukowe

Ogień w kosmosie to nie tylko zagrożenie, ale też precyzyjne narzędzie badawcze. W kontrolowanych warunkach płomienie działają jak „sonda” ujawniająca właściwości gazów, materiałów i procesów transportu ciepła.

Na ISS prowadzone były m.in. eksperymenty nad tzw. płomieniami dyfuzyjnymi i nad spalaniem kropel paliwa w nieważkości. W takich układach:

• uniknięcie silnej konwekcji pozwala doskonale śledzić dyfuzję tlenu i paliwa,
• łatwiej odróżnić wpływ reakcji chemicznych od wpływu przepływów gazu,
• można badać dokładne granice, przy których płomień jeszcze się utrzyma, a przy których zaczyna gasnąć.

Z ziemskiej perspektywy może wydawać się to „czystą teorią”, ale takie dane wchodzą potem do modeli silników odrzutowych, turbin gazowych czy palników przemysłowych. Mniejsza ilość sadzy, niższa emisja tlenków azotu, większa sprawność spalania – to wszystko w jakiejś części zawdzięcza się obserwacjom dokonanym w mikrograwitacji.

Ogień w kulturze lotów kosmicznych

Pierwsze generacje astronautów i inżynierów mierzyły się z ogniem w najbardziej brutalny sposób – przez tragiczne wypadki. Pożar w kapsule Apollo 1 na stanowisku startowym czy katastrofa stacji Salut 7 uświadomiły, że nawet mała iskra w szczelnym „puszkowatym” wnętrzu pojazdu kosmicznego może mieć katastrofalne skutki.

Od tamtej pory kultura bezpieczeństwa w agencjach kosmicznych zmieniła się radykalnie. Ogień stał się jednym z głównych scenariuszy projektowych:

• każdy nowy moduł stacji przechodzi szczegółową analizę ryzyka pożarowego,
• materiały i urządzenia są klasyfikowane według palności w atmosferze stacji,
• procedury ewakuacji i gaszenia są ćwiczone w realistycznych symulatorach, łącznie z zadymieniem i ograniczoną widocznością.

Dla wielu astronautów pierwsze zetknięcie z „niebieskim kulistym płomieniem” w mikrograwitacji jest jednym z najbardziej pamiętnych momentów szkolenia. To symbol różnicy między „naszą” fizyką, znaną z Ziemi, a fizyką środowiska orbitalnego, w którym nawet tak podstawowe zjawisko jak ogień wygląda zupełnie inaczej.

Jak zmieni się ogień w przyszłych napędach kosmicznych

Mówiąc o ogniu w kosmosie, trudno pominąć silniki rakietowe. Klasyczne napędy chemiczne opierają się na gwałtownym spalaniu paliwa i utleniacza w komorze spalania. Tam także pojawia się pytanie o zachowanie płomienia w innych warunkach grawitacyjnych i przy nietypowych mieszankach gazów.

W przyszłości coraz większą rolę mogą odgrywać:

• silniki hybrydowe (część paliwa stała, część ciekła lub gazowa),
• zaawansowane systemy wtrysku i mieszania, które kontrolują płomień jak „regulowany palnik”,
• napędy, w których spalanie pulsacyjne lub falowe wymaga niezwykle precyzyjnego modelowania zjawisk płomieniowych.

Wiedza o tym, jak front spalania zachowuje się bez klasycznej konwekcji, jak tworzą się gorące punkty i jak rozchodzi się fala ciśnienia, jest kluczowa przy projektowaniu takich układów. Tu doświadczenia z ISS i eksperymentów suborbitalnych stają się zaskakująco praktyczne.

Czego wciąż nie wiemy o ogniu w kosmosie

Mimo dziesiątek misji i setek eksperymentów wciąż pozostaje wiele pytań. Szczególnie trudne są obszary, w których spalanie łączy się z innymi procesami:

• z pyłem regolitu na Księżycu czy Marsie (czy drobny pył może tworzyć chmury palne wewnątrz habitatów?),
• z nieszczelnościami układów wysokociśnieniowych (jak rozchodzi się struga palnego gazu w nieważkości?),
• z materiałami kompozytowymi nowej generacji, które inaczej się topią, rozkładają i odgazowują pod wpływem ciepła.

Do tego dochodzą scenariusze awaryjne: pożar w pojeździe wracającym przez atmosferę, gdzie na różnych etapach lotu zmieniają się g i ciśnienie; ogień w bazie marsjańskiej podczas burzy pyłowej, gdy systemy wentylacji pracują na granicy możliwości; czy wreszcie mikropożary ukryte wewnątrz instalacji elektrycznej, których jedynym śladem jest delikatna zmiana składu gazów.

Każdy z takich scenariuszy wymaga osobnych badań. Zwykle zaczyna się od prostego układu w mikrograwitacji, potem przechodzi do bardziej złożonych symulacji, a na końcu – do testów systemowych z udziałem ludzi lub dużych makiet habitatów.

Ogień a psychologia załogi

Płomień ma również wymiar psychologiczny. Dla ludzi przyzwyczajonych do ziemskiej codzienności ognisko czy płomień świecy kojarzą się z ciepłem i bezpieczeństwem. W kosmosie ta symbolika odwraca się – ogień staje się przede wszystkim zagrożeniem, a drobna iskra może oznaczać poważny incydent.

Dlatego szkolenia załóg obejmują nie tylko procedury techniczne, ale także przygotowanie mentalne. Ćwiczy się:

• działanie w silnym stresie, gdy włącza się alarm pożarowy,
• komunikację w zespole i z centrum kontroli,
• podejmowanie decyzji w warunkach niepełnej informacji (np. kiedy zaryzykować przejście do zadymionego modułu po ważny sprzęt, a kiedy go porzucić).

Zdarzało się, że na ISS dochodziło do fałszywych alarmów powodowanych czułymi czujnikami. Mimo frustracji załogi procedury nakazują traktować każdy sygnał jak potencjalnie realne zagrożenie. To cena za bezpieczeństwo w środowisku, gdzie margines błędu jest minimalny.

Jak może wyglądać „bezpieczny płomień” przyszłości

Wraz z rozwojem technologii coraz bliżej jest do sytuacji, w której ogień w kosmosie będzie ściśle zaprojektowanym zjawiskiem, a nie nieprzewidywalnym żywiołem. Można wyobrazić sobie:

• materiały, które nie podtrzymują spalania w atmosferach używanych w habitat ach – nawet jeśli zajmą się lokalnie, płomień szybko gaśnie,
• systemy wentylacji, które w razie wykrycia płomienia automatycznie przekierowują przepływ powietrza, odcinając dopływ tlenu do danego modułu,
• czujniki obrazujące w czasie rzeczywistym kształt i intensywność płomienia, a nie tylko stężenie dymu czy gazów.

W takim scenariuszu załoga może nigdy nie zobaczyć „prawdziwego” pożaru – ewentualne zarzewia będą gaszone szybciej, niż zdążą się rozwinąć. Paradoksalnie, to właśnie głębokie zrozumienie fizyki kosmicznego płomienia, zdobyte dzięki dziesiątkom eksperymentów na ISS, może sprawić, że przyszli mieszkańcy Księżyca i Marsa będą myśleli o ogniu rzadziej niż my na Ziemi.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Czy w kosmosie da się rozpalić ogień?

Tak, ale tylko w odpowiednich warunkach. W otwartej przestrzeni kosmicznej, czyli w próżni, klasyczny płomień nie może powstać, bo brakuje tlenu – jednego z trzech niezbędnych elementów spalania (paliwo, utleniacz, źródło zapłonu).

We wnętrzu stacji kosmicznej, takiej jak ISS, panuje ciśnienie i skład powietrza zbliżony do ziemskiego, więc jest tlen i paliwo. Tam ogień jak najbardziej może się pojawić, dlatego prowadzi się eksperymenty z płomieniem i stosuje bardzo rygorystyczne zasady bezpieczeństwa pożarowego.

Dlaczego ogień w próżni kosmicznej nie płonie jak na Ziemi?

W próżni praktycznie nie ma gazów, a więc nie ma też utleniacza, najczęściej tlenu. Bez niego reakcja spalania nie może się rozpocząć ani utrzymać. Można mieć paliwo i iskry, ale jeśli wokół nie ma tlenu, nie zobaczymy znanego z Ziemi płomienia.

Wyjątkiem są sytuacje, gdy paliwo zawiera własny utleniacz, jak w niektórych paliwach rakietowych. Wtedy dochodzi do reakcji chemicznej, która przypomina spalanie, ale nie powstaje swobodny płomień unoszący się w otoczeniu, tylko „wewnętrzna” reakcja w samej substancji.

Jak wygląda płomień na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS)?

Na ISS płomień przybiera zwykle kształt małej, niemal kulistej poświaty, a nie wydłużonej „łezki”, jak na Ziemi. Powodem jest mikrograwitacja: gorące gazy nie unoszą się do góry, bo „góra” i „dół” praktycznie przestają mieć znaczenie.

Takie kosmiczne płomienie są zwykle mniejsze, chłodniejsze na brzegach i częściej niebieskie niż żółto-pomarańczowe. Powietrze i produkty spalania mieszają się głównie przez powolną dyfuzję oraz działanie wentylatorów, a nie przez silny ruch konwekcyjny znany z Ziemi.

Dlaczego na ISS płomień jest kulą, a nie „płomykiem do góry”?

Na Ziemi kształt płomienia tworzy przede wszystkim konwekcja: gorące, lżejsze gazy unoszą się do góry, a ich miejsce zajmuje chłodniejsze powietrze z tlenem od dołu. To nadaje płomieniowi kierunek i charakterystyczny, wydłużony kształt.

W mikrograwitacji konwekcja praktycznie zanika, bo gazy nie „wiedzą”, w którą stronę mają się unosić. Tlen i produkty spalania rozchodzą się wokół źródła ognia głównie przez dyfuzję, więc płomień rozprzestrzenia się równomiernie we wszystkie strony, tworząc bardziej kulisty kształt.

Czy ogień w kosmosie jest bardziej niebezpieczny niż na Ziemi?

Tak, pożar na stacji kosmicznej jest wyjątkowo groźny. W zamkniętej przestrzeni ISS dym i toksyczne gazy mogą bardzo szybko rozprzestrzenić się po wszystkich modułach, a załoga nie ma dokąd uciec. Dodatkowo ogień w mikrograwitacji może rozprzestrzeniać się w mniej intuicyjny sposób, na przykład wzdłuż powierzchni materiału, a nie „do góry”.

Z tego powodu na ISS stosuje się:

• surowe procedury bezpieczeństwa pożarowego,
• materiały o ograniczonej łatwopalności,
• specjalne czujniki i systemy gaśnicze dostosowane do mikrograwitacji.

Badania płomienia w kosmosie pomagają lepiej zaprojektować te systemy.

Po co prowadzi się eksperymenty z ogniem na ISS?

Głównym celem jest poprawa bezpieczeństwa przyszłych misji kosmicznych. Naukowcy chcą dokładnie zrozumieć, jak ogień powstaje, rozprzestrzenia się i gaśnie w mikrograwitacji, aby lepiej przewidzieć zachowanie potencjalnego pożaru oraz opracować skuteczniejsze procedury i sprzęt gaśniczy.

Dodatkowo badania płomienia w warunkach nieważkości dostarczają cennych danych z zakresu fizyki spalania. Takie eksperymenty pomagają tworzyć dokładniejsze modele komputerowe, które mogą się przydać także na Ziemi, np. do projektowania bezpieczniejszych materiałów czy efektywniejszych silników.

Czy zwykła świeczka zapali się i będzie palić na ISS?

Teoretycznie tak – wewnątrz ISS jest tlen i ciśnienie zbliżone do ziemskiego, więc świeczka może się zapalić i palić. Jej płomień nie będzie jednak wyglądał tak samo: zamiast wysokiego „płomyka” pojawi się niewielka, kulista poświata wokół knota.

W praktyce podobne eksperymenty prowadzi się w specjalnych, zamkniętych komorach badawczych, a nie „ot tak” w module mieszkalnym. Każde źródło otwartego ognia na stacji kosmicznej to potencjalne zagrożenie, dlatego takie testy są ściśle kontrolowane i planowane.

Co warto zapamiętać

• „Klasyczny” ogień nie może istnieć w próżni kosmicznej, bo brakuje tam utleniacza (tlenu), mimo że może być paliwo i źródło zapłonu.
• We wnętrzu stacji kosmicznych, takich jak ISS, można rozpalić ogień, ponieważ panują tam warunki zbliżone do ziemskiej atmosfery: jest powietrze z tlenem i dostępne paliwa.
• Największym problemem na ISS nie jest to, czy ogień może powstać, lecz jak będzie się zachowywał i jak nad nim panować w mikrograwitacji.
• Na Ziemi kształt płomienia (łezka skierowana ku górze) wynika głównie z grawitacji i konwekcji, które unoszą gorące gazy i doprowadzają świeże powietrze z tlenem.
• W mikrograwitacji ISS płomień przybiera kształt małej, prawie idealnej kuli, bo gorące gazy nie unoszą się, a transport tlenu i produktów spalania odbywa się głównie przez powolną dyfuzję.
• Płomienie w nieważkości są zwykle mniejsze, chłodniejsze na obrzeżach, częściej niebieskie i bardziej stabilne niż ich ziemskie odpowiedniki.
• Eksperymenty z ogniem na ISS są prowadzone w ściśle kontrolowanych warunkach, aby bezpiecznie badać zachowanie płomienia w kosmosie i opracować skuteczne metody ochrony załogi.