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En el espacio, por supuesto, no puedes tener ningún fuego porque no hay ningún oxidante (es decir, oxígeno) para sostener el proceso de combustión. Sin embargo, dentro de una nave espacial o en la Estación Espacial Internacional, las cosas son un poco diferentes: tienes la misma mezcla de aire que en la Tierra, pero debido a que la gravedad es millones de veces más débil, una llama abierta se comporta de manera significativamente diferente.

Encender una vela en el espacio

Izquierda: la llama de una vela en gravedad normal; derecha: la llama de una vela en microgravedad. Imagen: Ciencia .

Primero, veamos cómo funciona la combustión aquí en la Tierra. Imagina una gran hoguera, bellamente ardiendo en la ladera de la montaña, contigo y tus mejores amigos asando malvaviscos. Por un momento, reflexionas sobre el fuego mismo. ¿Cómo funciona todo? A medida que las moléculas de carbono y oxígeno giran alrededor de tu cabeza, empiezas a comprender. A medida que el combustible (madera) se quema, calienta el aire que lo rodea haciéndolo menos denso. Debido a que la gravedad atrae cualquier cosa con una mayor densidad, el aire caliente viaja hacia arriba y sale de la vecindad del fuego, lo cual es muy conveniente. Sin el aire caliente, el aire fresco ingresa al espacio proporcionando una nueva fuente de aire rico en oxígeno.

Esto se llama flotabilidad y es lo que hace que la llama se dispare y parpadee. Así, el ciclo continúa hasta que se agota todo el combustible. En microgravedad, sin embargo, las cosas son muy diferentes.

En microgravedad, no hay corriente ascendente y el oxígeno se introduce en la llama a través de un mecanismo completamente diferente. El primer experimento de este tipo se realizó en 1997 a bordo del transbordador Columbia. Llamado Estructura de bolas de llamas en un número bajo de Lewis (SOFBALL), el experimento consistió en una cámara sellada donde las llamas que vuelan a bordo del transbordador espacial pueden arder durante mucho tiempo.

Un diagrama esquemático de una bola de fuego. Crédito: Paul Ronney.

Lo primero que notaron los científicos fue la forma de la llama. Mientras que en la Tierra la llama de un fuego es alargada, en microgravedad es esférica como una bola de fuego. Eso se debe a que la llama esférica es alimentada por el proceso más lento de difusión, por lo que la llama se produce en la frontera entre el combustible y el aire; efectivamente, toda la superficie de la llama es el fondo, reaccionando con aire fresco lo suficientemente cerca de la fuente de combustible para arder, en una esfera rugosa. Debido a que los gases de escape como el CO2 no pueden salir del área de combustión, por el mismo dicho, la difusión hacia el exterior de los gases de combustión puede limitar la difusión hacia el interior del oxígeno hasta el punto de que la llama de gravedad cero morirá poco tiempo después de la ignición.

Es posible que también haya notado en las imágenes de este artículo que el fuego tiene un color diferente en microgravedad. Cuando una vela se quema, se consume molécula a molécula. A veces, las largas cadenas de carbono del combustible son empujadas hacia arriba donde se queman como el carbón, con un color amarillo brillante. Sin gravedad, las cuerdas de carbono no se queman y la llama es azul, más fría y mucho más tenue.

Estudiar el fuego en microgravedad puede brindar una importante perspectiva práctica. Durante décadas, los ingenieros han estado tratando de construir motores de combustión interna que funcionen con una mezcla pobre de combustible y oxígeno, lo que debería producir algo así como una bola de fuego en el espacio. Si pudiera quemar una mezcla de combustible más pobre en los motores, podría obtener una mayor eficiencia de combustible y una menor formación de contaminantes, dice Paul Ronney, un investigador de combustión de la Universidad del Sur de California que concibió y ayudó a diseñar los experimentos de llama del transbordador. Debido a que las velocidades de reacción química involucradas en la combustión son muy sensibles a la temperatura, si aumenta la temperatura en un 10 por ciento, la velocidad se duplica con creces y la velocidad a la que se forman algunos contaminantes aumenta trece veces, particularmente los óxidos de nitrógeno que hacen que nuestros cielos se vuelvan marrones.

Luego, por supuesto, está el tema de la seguridad. Debido a que el fuego se comporta de manera considerablemente diferente en microgravedad que en la gravedad de la Tierra, estudiar las bolas de fuego es muy importante para diseñar medidas y sistemas de seguridad. Por ejemplo, si una vela está ardiendo en la Tierra, podrías pensar en pisotearla para apagar la llama. Si hiciera eso en una nave espacial, podría acelerar la combustión, al menos temporalmente, porque está creando un flujo de aire que no existía antes. Las llamas en baja gravedad tienden a propagarse lentamente, por lo que pisar fuerte puede hacer que una llama salte a otra cosa cuando no lo habría hecho de otra manera. Además, las bolas de fuego son sigilosas: no emiten humo y tienen poca o ninguna luz visible. Es muy difícil extinguir algo que no puedes encontrar.

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