Как потушить огонь... молнией
Ущерб, наносимый пожарами, трудно переоценить. Человечество постоянно воюет с огнем, обеспечивая пожарные службы на передовой новейшим вооружением — от мощных водяных пушек и длинных автолестниц до индивидуальных дыхательных аппаратов и костюмов из жаропрочных материалов. Но вот «боеприпасы» используются все те же.
Вода гасит горящие материалы, охлаждая их до температуры ниже точки горения, пена изолирует очаги огня от кислорода, газ вытесняет воздух, лишая огонь поддерживающего горение кислорода (как и порошок, который при нагревании выделяет негорючие газы). В принципе, эти дедовские методы не так уж и плохи — они недороги и довольно эффективны, пока речь идет об относительно «простых» пожарах. Между тем в современном мире часты случаи, когда вода или пена категорически противопоказаны: например, при пожарах в центрах обработки данных или на электростанциях используется газ (обычно углекислый) или порошок.
Людовико Кадемартири, адъюнкт-профессор факультета материаловедения Университета штата Айова, научный сотрудник Лаборатории министерства энергетики США в Эймсе: «Контроль пламени с помощью электрических полей весьма перспективен в тех случаях, когда традиционные технологии с пожаротушением справляются плохо: например, пожары в тесных внутренних помещениях кораблей или самолетов. Эта технология особенно пригодится в тех случаях, когда нам нужно не гасить огонь, а именно управлять им, — в двигателях внутреннего сгорания, на ТЭС, в горелках газовой сварки и резки».
А уж конструкции из современных легких сплавов — это настоящий кошмар для пожарных: горящий магний способен успешно извлекать необходимый для горения кислород из воды или углекислого газа. Прибавьте к этому сложность и тесноту, скажем, внутренних помещений кораблей и самолетов — и вот он, настоящий ад. Приведем только один пример: в мае 2008 года на борту американского авианосца «Джордж Вашингтон» начался пожар, который нанес ущерб на $70 млн, поскольку его не могли потушить в течение 12 часов.
Физика вместо химии
В том же 2008 году американское Агентство оборонных инициатив совместно с министерством энергетики объявили о начале финансирования исследовательского проекта IFS (Instant Fire Suppression, «Быстрое подавление огня»), в рамках которого планировалось разработать принципиально новые подходы к тушению пожаров.
Работающие по проекту IFS исследователи сосредоточились не на экзотермической химической реакции, а на том, что с точки зрения физики пламя представляет собой плазму, то есть ионизованный газ. В рамках IFS рассматривались два основных подхода к управлению огнем — электромагнитное и акустическое воздействие.
То, что пламя реагирует на электрическое поле, известно уже почти двести лет, но только в 2011 году этот эффект решили использовать в полезных целях. На ежегодной конференции Американского химического общества группа исследователей под руководством профессора химии Гарварда Джорджа Уайтсайдса продемонстрировала, как пламя при поднесении электрода, к которому приложено переменное высокое напряжение, изгибается, будто пытаясь отпрянуть, а потом и вовсе гаснет, оторванное от «пищи» электрическими силами: «Причина в том, что пламя — это плазма, то есть ионизованный газ, к тому же содержащий заряженные частицы, такие как сажа, — говорит соавтор работы Людовико Кадемартири. — Нам удалось потушить пламя горящего метана площадью около 10 см², используя достаточно компактный бытовой источник напряжения мощностью около 600 Вт».
Громко крикнуть
Агентство DARPA рассматривало в программе IFS еще один подход — акустический. Оказывается, акустические волны, излучаемые динамиками, вполне способны погасить кювету с горящим жидким топливом. Как выяснили исследования, в основе этого эффекта лежат две основные причины. Во‑первых, акустические колебания увеличивают скорость воздушных потоков и тем самым уменьшают толщину поверхностного слоя, где происходит горение. Во‑вторых, акустические волны воздействуют и на саму поверхность жидкого топлива, увеличивая скорость испарения, что увеличивает площадь горения… но, с другой стороны, понижает температуру пламени. А это дает возможность сбить пламя при воздействии определенных акустических частот.
В экспериментах, проведенных группой ученых Химического факультета Гарвардского университета, метановая горелка помещалось между двумя электродами, экранированными стеклянной изоляцией. На электроды подавалось электрическое напряжение, создававшее в пространстве электрическое поле напряженностью 75 кВ/м. На левой картинке показано поведение пламени, снятое с помощью шлирен-фотографии (метод визуализации фазовых искажений в прозрачных средах) при подаче постоянного напряжения на электроды. На правой — пламя под воздействием переменного напряжения (800 Гц): «ионный» ветер разрывает пламя, сдувая его с горящих материалов.
Дело будущего
Конечно, пока эти эксперименты очень далеки от практического воплощения и больше напоминают цирковые фокусы. «Пока что мы умеем гасить только спички в пепельнице и отклонять пламя, — говорит Мэтью Гудман, менеджер программы IFS со стороны DARPA. — Масштабирование этих эффектов — очень сложная задача». Но первый шаг к тому, чтобы в будущем иметь возможность гасить начавшийся пожар одним нажатием электрического выключателя, уже сделан.
