Gdyby na statku kosmicznym znajdującym się na orbicie wybuchł pożar, astronauci zwalczaliby płomienie w nieco inny sposób niż na Ziemi. Płomienie w kosmosie tworzą się i rozpraszają w zupełnie inny sposób, niż ma to miejsce na powierzchni naszej planety. Jest to związane z charakterystyką mikrograwitacji.
Specyfika Ognia w Warunkach Mikrograwitacji
Na Ziemi chłodne powietrze opada, natomiast gorące gazy unoszą się. W warunkach nieważkości nie zachodzą takie procesy, więc gazy przybierają postać sferyczną. To właśnie grawitacja sprawia, że płomień na Ziemi ma wydłużony, szpiczasty kształt. W stanie nieważkości, przy mikrograwitacji, płomień układa się równomiernie we wszystkich kierunkach, tworząc kulisty kształt.
Dla przykładu, na Ziemi świeca płonie wysokim, żółtym płomieniem. W kosmosie na środku knota płonie mniejszy, niebieski płomień. Konwekcja, czyli ruch powietrza, jest ważnym sposobem przenoszenia ciepła do innych przestrzeni. Bez konwekcji pożary nie rozprzestrzeniają się tak szybko. Wentylatory na stacji kosmicznej zastępują naturalną konwekcję i mogą dostarczyć powietrze potrzebne do spalenia ognia.
Należy podkreślić, że cały czas mówimy o pożarach w zamkniętych pomieszczeniach, takich jak statki czy stacje kosmiczne, a nie w samej przestrzeni kosmicznej, gdzie panuje próżnia i brak tlenu uniemożliwia pojawienie się ognia.
Eksperymenty NASA nad Zachowaniem Ognia w Kosmosie
Amerykanie intensywnie przygotowują się do powrotu na Księżyc, a jednym z kluczowych projektów programu Artemis jest zapewnienie bezpieczeństwa mieszkańcom przyszłych baz. W tym celu niezbędne jest zrozumienie, jak ogień zachowuje się w środowisku kosmicznym.
Program Saffire: Kontrolowane Pożary na Pokładzie Statków
NASA zainicjowała serię eksperymentów pod nazwą Saffire (Solid Fuel Ignition and Extinction), mających na celu badanie zachowania ognia w kontrolowanych warunkach. Eksperymenty te są kontynuacją programu trwającego od kilku lat.
- Saffire IV: W maju tego roku naukowcy wywołali pożar na pokładzie statku towarowego Cygnus, który odłączył się od Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) i udał w stronę ziemskiej atmosfery. Spalono próbkę tkaniny SIBAL, złożonej z 75% bawełny i 25% włókna szklanego. Wcześniej przeprowadzano podobne eksperymenty, ale ograniczone do przedmiotów o wielkości wizytówki. Tym razem podpalono blok o wymiarach 40x94 cm, co czyni go największym (oficjalnym) pożarem w kosmosie. Eksperyment uruchomiono zdalnie, a Cygnus był wyposażony w specjalny moduł, który miał uniemożliwić rozprzestrzenianiu się ognia.
- Saffire V: To kolejny eksperyment przeprowadzony na pokładzie statku towarowego Cygnus, który odłączył się od ISS na początku stycznia bieżącego roku. Pozwolił on rozszerzyć wiedzę na temat rozprzestrzeniania się ognia na pokładach załogowych kapsuł i statków. Cygnus został wyposażony w liczne czujniki wykrywające poziomy tlenu i dwutlenku węgla, stężenie i objętość dymu oraz temperatury, a także cztery kamery, które pokazywały rozmiar i rozprzestrzenianie się płomienia w czasie rzeczywistym. Naukowcy odkryli, że rozmiar statku kosmicznego miał większy wpływ na ogień niż wcześniej przewidywano. Podczas Saffire V spalono również próbkę tkaniny z bawełny i włókna szklanego, a test trwał 26 godzin. Naukowcy informują, że większe poziomy tlenu wskazują na powstawanie bardziej energetycznych płomieni, podobnie jak na Ziemi.
Inne Badania i Wnioski
W ramach 17. misji zaopatrzeniowej ISS, przeprowadzonej za pośrednictwem modułu Cygnus, dostarczono na Międzynarodową Stację Kosmiczną specjalną komorę o nazwie Combustion Integrated Rack. Tam przeprowadzono eksperymenty w ramach projektu SoFIE (Solid Fuel Ignition and Extinction). Próby polegają na wywoływaniu pożarów w kontrolowanych warunkach, by zobaczyć, jak ogień zachowuje się w środowisku z mniejszą ilością tlenu. Chociaż mniejsza ilość tlenu w kosmosie powinna w teorii sprawić, że pożary będą mniejsze, naukowcy doszli do ciekawych wniosków. Płomienie rozchodzą się w nieco inny sposób niż na Ziemi, co wpływa na rozprzestrzenianie się pożaru.
Dzięki czujnikom i kamerom w komorze Combustion Integrated Rack zaobserwowano, że gazy towarzyszące płomieniowi przybierają postać sferyczną, co ma związek z mikrograwitacją. Środowisko to charakteryzuje się zredukowanym przyspieszeniem grawitacyjnym.
NASA przeprowadziła również testy w ramach programu ACME. W eksperymencie Flame Design naukowcy wywołali kontrolowany pożar w kosmicznym domu i zmierzyli ilość uwalnianej sadzy. Eksperyment Flex-2 polegał na wytworzeniu kuli ognia w warunkach mikrograwitacji za pomocą małej kropli etanolu. Powstająca kula ognia zaczynała się przemieszczać, wyglądając jak kijanka.
Niesamowity płomień ożywa w nauce o spalaniu w warunkach mikrograwitacji na stacji kosmicznej
Wykrywanie i Reagowanie na Pożary na Pokładzie
Wykrywanie pożaru w kosmosie również różni się od tego na Ziemi. Na Ziemi czujniki dymu są instalowane na suficie lub w górnej części ściany, ponieważ tam przemieszcza się dym. W kosmosie, ze względu na brak konwekcji, dym rozprzestrzenia się inaczej.
Incydenty i Protokoły
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) nigdy nie doświadczyła pożaru, ale w 1997 roku na Rosyjskiej Stacji Kosmicznej Mir miał miejsce znaczący pożar. Pożar pochodził z generatora tlenu, w którym tlen stanowił gotowe źródło paliwa. Testy wykazały, że w generatorze musiało zabraknąć tlenu, aby ogień się wypalił.
Gdyby na ISS wybuchł pożar, astronauci, odpowiednio przeszkoleni na wypadek zagrożenia pożarowego, zastosowaliby trzystopniowy system reagowania. Najpierw wyłączyliby system wentylacji, aby spowolnić rozprzestrzenianie się ognia, a następnie odcięliby zasilanie jednostki objętej pożarem.
Tragiczny Wypadek Apollo 1: Lekcja Bezpieczeństwa
Na 27 stycznia 1967 roku zaplanowano symulację startu rakiety w ramach misji Apollo 1. Sama rakieta nie była zatankowana, ale w ramach prób przygotowywano ją do całej procedury przedstartowej. Astronauci Virgil “Gus” Grissom, Edward Higgins White i Roger Chaffee weszli do modułu dowodzenia. Powodem opóźnienia było niezidentyfikowane zapach wewnątrz kapsuły.
Po kilkunastu sekundach panicznych krzyków łączność z modułem dowodzenia została całkowicie zerwana. Dopiero po 5 minutach od pierwszego sygnału o pożarze ratownicy otworzyli właz. Do tego czasu pożar sam się wypalił, ale wszyscy trzej astronauci zginęli.
Po kilku miesiącach śledztwa komisja przygotowała raport, w którym wskazano na wiele nieprawidłowości. Złe zabezpieczenie kabli, które nie powinny były przejść kontroli jakości, stwarzało ryzyko spięcia i wybuchu pożaru. Kapsuła była wypełniona czystym tlenem, a wysokie ciśnienie panujące wewnątrz modułu dowodzenia tylko pogarszało sytuację. Ten wypadek był gorzką lekcją dla NASA w zakresie bezpieczeństwa w załogowych misjach kosmicznych.
Priorytet Bezpieczeństwa w Przyszłych Misjach
Tego typu badania mają pomóc NASA w opracowaniu lepszych systemów wykrywania i tłumienia pożarów w kosmosie oraz w zbadaniu, jak mikrograwitacja i ograniczona ilość tlenu wpływają na rozmiar płomieni. Naukowcy od dawna wiedzą, że w takich warunkach można pracować nad specjalnymi materiałami, których nie można uzyskać na Ziemi, a teraz udało się wykorzystać specjalne komory do badania "pożarów w kosmosie".
NASA chce dzięki temu lepiej zrozumieć zachowanie ognia w tym środowisku, co pomoże w skuteczniejszy sposób tłumić ewentualne pożary oraz tworzyć systemy, które będą zapobiegać ich powstawaniu, na przykład wskutek awarii elektroniki. Jeśli poważnie myślimy o załogowych lotach na Księżyc, Marsa, Wenus i planetoidy, to ochrona astronautów przed pożarem, który mógłby wybuchnąć na pokładach statków w czasie długich misji, jest najwyższym priorytetem, a cenne wskazówki z eksperymentów pozwolą zbudować o wiele bezpieczniejsze pojazdy.