Bazı yakıt türleri başlangıçta çok sıcak bir şekilde yanarlar, sonra ise sıcaklığı azalır görünür. Ancak bu yakıtlar daha düşük sıcaklıkta yanmaya devam ederler, üstelik görünürde alev de yoktur. İşte bu tür yakıtların düşük sıcaklıkta yanması soğuk alev yanması olarak adlandırılır. Soğuk alev yanmasının anlaşılması bilim insanlarına çevreye daha az zarar veren ve daha verimli olan yeni motorlar ve yakıtların geliştirilmesi konusunda yardımcı olacaktır. Uluslararası Uzay İstasyonu’nda gerçekleştirilen Soğuk Alev İnceleme deneyleri uzaydaki yangın güvenliği yanı sıra bu olguya yeni bakış açıları sağlayacaktır.
Soğuk alevde alevin en yüksek sıcaklığı yaklaşık 400°C’nin altındadır. Böyle bir alev belirli bir yakıt-hava karışımına ait bir kimyasal reaksiyonda üretilir. Bu reaksiyon çok güçlü değildir ve oldukça az ısı, ışık ve karbondioksit salar. Bundan dolayı soğuk alevleri fark etmek veya gözlemlemek zordur. Ancak bu soğuk alevler motor vuruntusundan sorumludur. Dolayısıyla araba motorunuzdan vuruntu sesi geliyorsa orada bir yerde soğuk alev vardır. Çünkü içten yanmalı motorlarda düşük-oktanlı yakıtların yanması gürültülü ve düzensiz olur. Bu nedenle vuruntunun önüne geçmek için yüksek oktanlı yakıtların kullanılması tavsiye edilir. Motorda yakıt-hava karışımı sıkışırken basınçta ve sıcaklıktaki eş zamanlı artış son kalan yanmamış yakıt-hava karışımında soğuk alev üretebilir. Bu yerelleşmiş ısının bir şok dalgası üretmesine sebep olur ki bu da silindir yüzeyi boyunca hareket eder. Oluşan ani basınç da vuruntu sesine neden olur.
Biraz konumuzun dışına çıktık ama soğuk alevin gündelik yaşantımızdan bir örneğine yer vermek istedim.
Soğuk alevler hidrokarbonlar, alkoller, aldehitler, yağlar, asitler, mumlarda ve hatta metanda bile oluşabilir. Bir soğuk alevin en düşük sıcaklığının belirlenmesi zordur. Bunun için izlenen yol, karanlık bir odada göz ile tespit edilebilen alevdeki sıcaklık olarak seçilir. Bu sıcaklık da yakıt oksijen oranına biraz bağlıdır ve esas bağlı olduğu şey gaz basıncıdır.
Soğuk alevler 1810 yılında Humpry Davy tarafından kazara keşfedilmesinden bu yana çeşitli deneylerle incelenmektedir. Günümüzde en popüler çalışma alanı uzayda yangın güvenliğidir. Aynı zamanda yeni yakıt ve motorların geliştirilmesine yönelik de çalışmalar mevcuttur.
Son Uluslararası Uzay İstasyonu (UUİ) deneylerinde, yanan soğuk bir alevin yanmakta olan bir damlacığın ışınımsal sönümü sonrası geliştiği gözlendi. Bu sonuç yüksek sıcaklık kimyasına dayanan hesaplama modelleri ya da deney öncesi yapılan ön çalışmalarla öngörülmüyordu. Bu eşsiz yanma davranışı hem düşük hem de orta sıcaklık yakıt kimyası ve onun damlacık yanması üzerindeki etkisinin daha iyi anlaşılması gerektiğini vurgulamaktadır. Çünkü bu durum sprey yanma ve yangın güvenliği açısından bazı uygulamalara sahip olabilir. Bu beklenmedik gözlem akademideki, endüstrideki ve devlet laboratuvarlarındaki araştırmacılar tarafından uluslararası ilgi gören bir konu olagelmiştir.
Uluslararası Uzay İstasyonu’nda gerçekleştirilen Soğuk Alev İnceleme deneylerinden bir görüntü. Credit: NASA
Soğuk Alev İncelemesi deneyleri ısı kaybının varlığında soğuk alev kimyası gereği düşük-sıcaklık yanması ile devam eden yanma ve ışınım sönümü sorası sıcak ateşleme sergileyen büyük alkan yakıt damlacıklarının yanmasını incelemek için eşsiz bir fırsat sunar. Soğuk alevlerin temel bir anlayışı pratik yakıtlar ve yakıt katkı maddelerinin ateşleme olgusunun anlaşılması için önemlidir. Soğuk alevler yeni yakıtların seçimi ve geliştirilmesi ve gelişmiş içten yanmalı motorların tasarımında önemli bir rol oynamaktadır.
Bu araştırma Dünya üzerindeki çok sayıda pratik uygulamalar için yanma performansını hesaplamak amacıyla yeni hesaplama modellerini geliştirmek isteyen kimyagerlere yardımcı olabilir. Bu geliştirilen hesaplama modellerinde, örneğin, dizel motorlar ve kıvılcım ateşlemedeki yakıtlar için oktan ve setan sayısının soğuk alev reaktifliğini nasıl belirlediği anlaşılabilir.
UUİ’de gerçekleştirilen bir soğuk alev deneyine ait video görüntüsü:
Soğuk Alev Deneyinin Uygulamaları
Uzay uygulamalarında, bu soğuk alevi deneyleri saf hidrokarbonlar, biyoyakıtlar ve saf hidrokarbon karışımlarını içeren çeşitli yakıtların düşük-sıcaklık yanma davranışı incelenir. Deneylerin sonuçları ise mürettebat güvenliğini iyileştiren ve yeni motorlar ile yakıtların geliştirilmesinde fayda sağlayan düşük sıcaklık kimyasında yeni anlayışlar sağlayabilir.
Dünya uygulamalarında, soğuk alev kimyası yüksek verimlilikli Homojen Şarj Sıkıştırma Patlamalı motorlar gibi gelişmiş motorlar için yakıtların geliştirilmesinde önemlidir. Soğuk alev deneylerinin sonuçları bir yakıtın yanma performansını belirlemek için kullanılan yeni bilgisayar modellerinin tasarlanmasında kimyagerlere yardımcı olur. Yeni nesil yakıtlar ve motorlar Dünya üzerinde yaşayan insanlar için hava kalitesini artıran daha az is üreten yakıt ve motorlar olacaktır.
Homojen Şarj Sıkıştırma Patlamalı motor teknolojisi henüz günümüz otomobiller için uygun değildir. Ancak bu teknoloji daha soğuk sıcaklıklarda yakıt yanmasını sağlayan motorların önünü açabilir. Üstelik motorlar veriminden bir şey kaybetmeyecek ve daha az hava kirliliğine neden olacak. Diğer taraftan da soğuk alev deneylerinin sonuçları gelecek insanlı uzay yolculuklarının daha az yangın riski ile gerçekleşmesinde önemli bir pay sahibi olacak.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Referanslar:
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/1947.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Cool_flame
http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=1548
http://nasa.tumblr.com/post/151845007619/what-cargo-is-launching-in-october-to-the
