เมื่อไฟกลายเป็นทรงกลม ความลับของเปลวไฟในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ
เคยสงสัยไหมว่า หากเราจุดเทียนไขบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) รูปร่างของเปลวไฟจะยังคงเป็นรูปหยดน้ำเรียวแหลมเหมือนบนโลกหรือไม่? คำตอบคือ "ไม่" และสิ่งที่เกิดขึ้นนั้นชวนให้ฉงนราวกับหลุดออกมาจากนิยายวิทยาศาสตร์ เพราะในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ เปลวไฟจะเปลี่ยนร่างเป็นทรงกลมสีฟ้า ที่ดูเงียบสงบแต่แฝงไปด้วยฟิสิกส์ที่น่าทึ่ง
ทำไมเปลวไฟบนโลกถึงมีรูปทรงหยดน้ำ?
ก่อนจะไปสู่อวกาศ เราต้องเข้าใจก่อนว่าทำไมไฟบนโลกถึงมีรูปร่างที่เราคุ้นเคย ปรากฏการณ์นี้เกิดจากสิ่งที่เรียกว่า การพาความร้อน (Convection) เมื่อเราจุดไฟ อากาศรอบ ๆ จะร้อนขึ้น ขยายตัว และมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศเย็นที่อยู่รอบนอก แรงโน้มถ่วงของโลกจึงดึงอากาศเย็นที่หนักกว่าลงด้านล่าง และดันอากาศร้อนที่เบากว่าให้พุ่งสูงขึ้น กระบวนการนี้ทำให้เปลวไฟถูกรีดจนเรียวแหลมและส่ายไปมาตามกระแสอากาศ
ในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ (Microgravity) แรงลอยตัวที่เกิดจากความแตกต่างของความหนาแน่นจะหายไป อากาศร้อนจะไม่ลอยขึ้นและอากาศเย็นจะไม่ไหลลงมาแทนที่ในลักษณะเดิม กระบวนการส่งผ่านออกซิเจนไปยังเชื้อเพลิงจึงไม่ได้เกิดจากการพาความร้อน แต่เกิดจากการแพร่ (Diffusion) แทน
เมื่อโมเลกุลของออกซิเจนค่อย ๆ แพร่เข้าหาเชื้อเพลิงจากทุกทิศทางอย่างเท่าเทียมกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือ
- รูปทรงกลม
เปลวไฟจะขยายตัวออกเป็นทรงกลมรอบแหล่งกำเนิดเชื้อเพลิง - สีฟ้าสะอาดตา
บนโลกเราเห็นสีเหลืองส้มเพราะมี "เขม่า" (Soot) ที่เกิดจากการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ถูกดันขึ้นไปด้านบนและร้อนจนเปล่งแสง แต่ในอวกาศ การเผาไหม้มักจะสะอาดกว่าและช้ากว่า จนแทบไม่เกิดเขม่า เราจึงเห็นสีฟ้าซึ่งเป็นสีของการแผ่รังสีจากโมเลกุลที่ถูกกระตุ้นโดยตรง
ทำไมเราต้องศึกษา "ไฟ" ในอวกาศ?
การทดลองเรื่องการเผาไหม้ในอวกาศ เช่น โครงการ ACME (Advanced Combustion via Microgravity Experiments) ของ NASA ไม่ได้ทำเพื่อความสวยงามเท่านั้น แต่นักวิทยาศาสตร์ต้องการทำความเข้าใจกลไกการเผาไหม้ในระดับพื้นฐานที่สุด เพื่อนำความรู้มาพัฒนาเทคโนโลยีการประหยัดพลังงานบนโลก และที่สำคัญที่สุดคือ ความปลอดภัยของนักบินอวกาศ ในการป้องกันและควบคุมอัคคีภัยบนยานอวกาศนั่นเองครับ
เปลวไฟทรงกลมสีฟ้าในอวกาศคือบทเรียนที่สอนให้เราเห็นว่า "แรงโน้มถ่วง" ที่เราแทบไม่รู้สึกถึงมันในชีวิตประจำวัน กลับเป็นตัวแปรสำคัญที่กำหนดพฤติกรรมของสสารรอบตัวเรา แม้กระทั่งเปลวไฟดวงเล็ก ๆ ก็ยังมีเรื่องราวที่รอให้เราค้นหาอีกมากมาย
ข้อมูลอ้างอิง: