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Rätsel des blauen Wirbels gelöst

Forscher klären Struktur einer ungewöhnlichen blauen Kohlenwasserstoffflamme

Blauer WIrbel
Wenn ein flüssiger Kohlenwasserstoff wie Heptan verbrannt wird, kann diese exotische Flammenform entstehen – ein blauer Wirbel. © Joseph Chung, Xiao Zhang, Carolyn Kaplan/ University of Maryland, Elaine Oran/ Texas A&M University

Mysteriöser Feuerring: Eine geisterhaft blaue Flamme, die auf halber Höhe einen geschlossenen Ring bildet – dieses ungewöhnliche Feuerphänomen kann auftreten, wenn man flüssige Kohlenwasserstoffe verbrennt. Die Struktur dieses „blauen Wirbels“ und die dahinter steckende Physik haben nun Forscher erstmals aufgedeckt. Demnach entsteht der blaue Feuerring aus der Kombination von gleich drei verschiedenen Flammenarten.

Ein Holzfeuer oder eine Kerze brennen typischerweise mit gelblich-rötlichen, flackernden Flammen. Bei der Verbrennung von Salzen können aber auch knallrote, blaue oder grünliche Flammenfarben auftreten. Ihre Farbe geht auf die oxidative Reaktion verschiedener Metalle zurück. Reiner Wasserstoff dagegen brennt farblos und kann unter beengten Bedingungen exotische Flammenmuster erzeugen.

Ein schwebender blauer Ring

Noch ungewöhnlicher aber ist ein Flammenphänomen, das Forscher erst vor Kurzem entdeckt haben – durch Zufall. Zündet man einen flüssigen Kohlenwasserstoff wie Heptan an, brennt er zunächst mit einer flackernden und rußenden gelben Flamme. Doch unter bestimmten Umständen wandelt sich dieses Feuer zu einer blauen, stetigen Flamme, die in ihrer Mitte einen geschlossenen Ring bildet.

„Dieser blaue Wirbel hat gleich mehrere faszinierende Besonderheiten: Er entwickelt sich spontan und bleibt dann so lange erhalten, bis der Brennstoff erschöpft ist“, erklären Joseph Chung und seine Kollegen von der University of Maryland. Zudem brennt diese blaue Flamme klar und rückstandsfrei, ohne Ruß zu erzeugen. Und eine dritte Besonderheit ist, dass sie nicht von einem Gas gespeist wird, sondern von einem flüssigen Kohlenwasserstoff, der auf einem Wasserbett schwimmt.

Wenn sich drei Flammentypen treffen

Doch wie kommt dieser blaue Flammenring zustande? Und welche physikalischen Mechanismen stecken dahinter? Bisher haben Forscher zwar Temperaturkarten des blauen Wirbels erstellt und herausgefunden, unter welchen Bedingungen er am ehesten entsteht. Doch die Struktur und Dynamik dieses Phänomens blieben unklar. Das haben Chung und sein Team nun im Experiment und mithilfe von physikalischen Modellen näher untersucht.

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Flammentypen
Flammentypen im blauen Wirbel. © Chung et al./ Science Advances

Das überraschende Ergebnis: Der blaue Wirbel besteht eigentlich aus vier verschiedenen Flammentypen. Der untere blassblaue Bereich unter dem hellen Feuerring ist eine sogenannte Vormischflamme, in der dem Brennstoff relativ viel Sauerstoff beigemischt ist. Oberhalb des blauen Rings brennt eine sauerstoffärmere Diffusionsflamme, deren halbtransparenter Rand in eine Teilvormischflame mit leicht höheren Sauerstoffanteil übergeht.

Der blaue Ring jedoch bildet sich dort, wo sich diese drei Flammentypen treffen. „Er entsteht, wenn Strömungswirbel kollabieren“, erklären die Forscher. „Dort, wo diese Triple-Flamme brennt, entsteht auch die größte Hitzeentwicklung.“ Die Temperatur in diesem Bereich liegt bei rund 1.700 bis 1.900 Grad Celsius.

Kann man den blauen Wirbel praktisch nutzen?

Die Ergebnisse und das dafür entwickele Modell bieten nun einen Ausgangspunkt, um weitere Fragen zum mysteriösen Flammenring zu klären. „Eine Frage ist beispielsweise, ob der blaue Wirbel auch ohne die Vorstufe über die normale Flamme entstehen kann. Und wie man seine Größe kontrolliert“, so Chung und sein Team.

Interessant wäre zudem, ob sich diese Form der rußfreien, emissionsarmen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen auch praktisch nutzen lässt – beispielsweise in einem Motor. „Nur wenn wir seine Struktur verstehen, können wir diese Flamme zähmen, skalieren und gezielt erzeugen“, sagt Chung. Er und sein Team hoffen nun, einige der offenen Fragen mit ihrem Modell und weiteren Experimenten klären zu können. (Science Advances, 2020; doi: 10.1126/sciadv.aba0827)

Quelle: Science Advances, AAAS

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