Las bolas de fuego son llamas esféricas suaves y frágiles que hasta hace poco solo podían existir en condiciones de gravedad cercana a cero. Los investigadores de TU / e han logrado observar bolas de fuego en condiciones normales en la tierra, y por lo tanto, descubrió nuevos conocimientos sobre el funcionamiento de mezclas de combustibles lean. Se cree que las mezclas de hidrógeno pobre son el combustible del futuro, ya que no emiten CO ₂ y solo bajas concentraciones de óxidos de nitrógeno. Únase a nuestros investigadores en su emocionante viaje para comprender la enigmática bola de fuego.

No es necesario ser un científico de la combustión para comprender que, cuando se enciende una mezcla de aire y combustible, las llamas comienzan a propagarse. El oxígeno reacciona con el combustible en la llama, se libera calor y enciende la mezcla junto a la llama, y este proceso continúa. Esto sucede en la estufa de gas de tu cocina, en un cilindro del motor de tu coche, o en una turbina de gas en una central eléctrica.

Pero incluso los científicos de la combustión se quedan perplejos cuando ven una bola de fuego por primera vez. "Una bola de fuego es una pequeña llama esférica luminosa, que mantiene el mismo tamaño y forma durante un tiempo prácticamente ilimitado, "explica Philip de Goey, jefe del grupo de Tecnología de Combustión en TU / e. "Parece algo imposible. No se expande, mientras haya mucha mezcla fresca alrededor, y no se apaga, aunque no tenga combustible en su interior ".

El secreto de la bola de llamas es que se trata de una llama de difusión. Su combustión está sustentada por una alimentación continua de oxígeno y combustible que se difunde hacia esta llama esférica desde la mezcla circundante. El calor liberado también se transmite a la mezcla circundante por difusión, y una fracción de ella es arrastrada por la radiación. Debido a esta pérdida de calor, la bola de llamas no puede encender la mezcla vecina y expandirse. Esto lo hace estable.

Suave y frágil

Predicho por Drozdov y Zeldovich en 1943, Las bolas de fuego se pensaron durante mucho tiempo como una curiosidad teórica, ya que nadie las observó durante casi medio siglo después de esa predicción. La razón es que la mayoría de los laboratorios de combustión se construyen en la Tierra, y, por lo tanto, como todo en la tierra, están sujetos a la gravedad.

En teoria, una mezcla combustible tiene que estar inmóvil para que exista una bola de fuego. Sin embargo, Las llamas en la gravedad terrestre tienden a generar flujos de convección ascendentes debido a las fuerzas de flotación que actúan sobre el producto de combustión caliente. como por ejemplo en velas. Si bien esta convección natural ayuda a que las velas se quemen, una bola de fuego es demasiado suave y frágil para sobrevivir.

No fue hasta 1990, cuando las bolas de fuego fueron descubiertas por primera vez experimentalmente por Paul Ronney, cuando se hicieron posibles los experimentos de combustión sin gravedad. Tales experimentos se llevaron a cabo dentro de cámaras de caída libre, caído de altas torres, o a bordo de aviones que vuelan en trayectorias parabólicas, una especie de montaña rusa voladora, donde también uno puede sentirse ingrávido, aunque por un tiempo más corto.

Al experimentar con las llamadas mezclas de límites magros, que contienen cantidades muy pequeñas de combustible y apenas pueden soportar la combustión, Paul Ronny observó que se formaron múltiples bolas de llamas de 5 a 10 mm de tamaño y se quemaron en una mezcla de hidrógeno y aire.

Por que son importantes las bolas de fuego

Poco después del descubrimiento, Los investigadores reconocieron la importancia potencial de estudiar las bolas de fuego. Primero, tales llamas tienen temperaturas mucho más bajas que las que se encuentran en otras llamas. También son extremadamente sensibles a pequeños cambios en las condiciones en las que se queman. Esto hace que una bola de fuego sea un objeto excelente para validar modelos de combustión teóricos. Esta validación se vuelve especialmente importante a medida que las tecnologías de combustión modernas avanzan hacia mezclas con bajas concentraciones de combustible. Estas llamadas mezclas magras tienden a generar llamas más frías que producen menos óxidos de nitrógeno (NO _X ). Y las bolas de fuego son las llamas más magras posibles

Segundo, Pueden existir bolas de fuego en las mezclas más magras que aún pueden arder; si hay menos combustible presente en el aire, no es posible la combustión. Los límites finales en los que pueden existir las llamas son importantes para el desarrollo de normas de seguridad y para el diseño de dispositivos de combustión.

Finalmente, El estudio de los fenómenos de las bolas de fuego puede ayudarnos a comprender mejor los mecanismos de combustión de las mezclas de hidrógeno pobre. El hidrógeno es uno de los principales pretendientes para convertirse en un combustible 'verde' del futuro, y la combustión pobre se considera el futuro de las tecnologías de combustión.

Trayendo las bolas de fuego a la Tierra

No es de extrañar entonces que el descubrimiento de las bolas de fuego haya provocado más investigaciones teóricas y experimentales intensivas. Incluso se llevaron a cabo experimentos en la Estación Espacial Internacional, donde las condiciones de 'microgravedad' son óptimas y permanentes. Amplias mediciones en tales condiciones, sin embargo, no son posibles debido al alto costo y las limitadas posibilidades de diagnóstico experimental.

Eso cambió sin embargo, cuando las bolas de fuego fueron llevadas al suelo por el investigador de TU / e Yuriy Shoshin, trabajando en el grupo de Tecnología de combustión de Philip de Goey. Como sucedió en el caso de las bolas de llama de microgravedad, Shoshin descubrió bolas de llamas de gravedad "normales" por accidente.

"Cuando llenamos un tubo de vidrio vertical con una mezcla que contenía hidrógeno y lo encendimos desde el extremo inferior, Observamos bolas luminosas casi perfectas que se elevaban lentamente hasta el extremo superior del tubo, ", dice Shoshin. Resultó que las fuerzas de flotación inducidas por la llama crean un pequeño vórtice en el que reside la bola de llamas. Así que, en lugar de destruir la bola de llamas, como fue el caso en experimentos anteriores, la convección inducida por la gravedad en condiciones adecuadas ayuda a preservarla.

Células vivas

Más estudios experimentales y numéricos intensivos llevaron a muchos nuevos conocimientos sobre el funcionamiento de las llamas de hidrógeno pobre, dice Shoshin "Entre otras cosas, Descubrimos que cuando una mezcla de combustible fluye hacia abajo a través de una placa porosa dentro de un tubo ancho, se están formando múltiples bolas de fuego que sorprendentemente se comportan como células vivas, dramáticamente 'luchando por la vida' ".

"Las bolas compiten por el combustible como la comida, cambiando constantemente de dirección cada vez que hay nuevo combustible disponible. Si una bola de fuego tiene suerte de encontrar un lugar con mucho combustible, se divide en dos, como una célula viva. Las células que están rodeadas de competidores más exitosos tienen menos suerte, y decadencia. Ya no pueden resistir el flujo de gas descendente por flotabilidad autoinducida. Estas infortunadas bolas se eliminan de la fuente de combustible mediante el flujo de gas y finalmente 'mueren' de hambre ".

Donuts y herraduras

El hecho de que existan bolas de llamas dentro de un vórtice dio lugar a la idea de que posiblemente se podrían formar llamas con mecanismos de combustión similares en otras condiciones. donde hay vórtices. "Y, Por supuesto, en experimentos posteriores hemos encontrado otros tipos de llamas que arden de manera similar, con forma de rosquillas y herraduras ".

Tales llamas se forman alrededor de los llamados filamentos de vórtice, líneas alrededor de las cuales gira el gas. En dispositivos prácticos, la combustión casi siempre ocurre en mezclas turbulentas, y se sabe que este tipo de filamentos están presentes en gas turbulento. "Esto nos da la esperanza de que el estudio de tales llamas pueda ayudar a comprender las llamas turbulentas de hidrógeno magro, "dice Shoshin.

Los mecanismos de combustión de bolas de llamas también pueden ser relevantes para la estabilización de llamas. "Las llamas deben ser estables para poder usarse en calderas domésticas o plantas de energía de gas, y la forma más común de estabilizar las llamas es crear un vórtice detrás de algún obstáculo colocado en un flujo de mezcla combustible ".

Más allá de la teoría

De Goey enfatiza la importancia de investigar las bolas de fuego en condiciones que no sean de microgravedad. "Si bien las bolas de fuego a gravedad cero siguen siendo el ejemplo más fundamental y más simple de una bola de fuego, las bolas de fuego y sus parientes estudiados en nuestro grupo pueden existir en varias condiciones diferentes. Esto hace que su física sea mucho más interesante, y también mucho más relevante para otros campos de la ciencia de la combustión ".

"Curiosamente, a pesar de que nuestros estudios se inspiraron en gran medida en los experimentos de microgravedad de Paul Ronney, para algunos de los miembros de la 'familia de las bolas de fuego' descubiertos en nuestros laboratorios, los efectos de la gravedad resultaron no ser importantes en absoluto ".

El siguiente paso en la investigación de De Goey y su equipo es incorporar el fenómeno de la bola de fuego en teorías anteriores sobre llamas normales. Sin embargo, su interés por la enigmática bola de fuego va mucho más allá de la mera curiosidad científica. "En el final, una comprensión completa de cómo funcionan nos ayudará a desarrollar combustibles ajustados que allanarán el camino para un futuro energético sostenible, " él dice.