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Bolas de Fuego Flotantes

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Bolas de Fuego Flotantes

En el espacio, las llamas tienen un comportamiento extraño: forman pequeñas esferas, casi invisibles, que podrían revelar los secretos de la combustión aquí en la Tierra.

NASA

ver leyendaAgosto 21, 2002: Paul Ronney no estaba buscando bolas de fuego. Ellas llegaron por sí mismas, completamente por sorpresa.

Esto ocurrió en 1984, cuando Ronney, un investigador de la combustión se encontraba en la Torre de Generación de Baja Gravedad por Caída Libre, del Centro de Investigaciones Glenn (Glenn Research Center's Microgravity Drop Tower) de NASA, en Ohio. Presionó un botón y dejó caer una lata de hidrógeno ardiendo en un pozo de 30 metros de profundidad. Durante 2,2 segundos, la lata cayó a plomo, libremente y sin peso, mientras una cámara de 16mm grababa la acción. Ronney sabía que las llamas hacían cosas extrañas en ambientes de baja gravedad -- lo cual era precisamente el motivo del experimento -- pero no estaba preparado para lo que observó en el cuarto de proyección, poco después.

Derecha: Una vista a ojo de pájaro de la Torre de 2,2 segundos para generación de baja gravedad por caída libre. [más información]

Las llamas se habían fragmentado y separado en pequeñas bolas que se movían como OVNIS. "Creí que había hecho algo mal", recuerda. Algunos de sus colegas no le creían cuando describió el experimento. De hecho "era ridículo. Nadie había visto algo como esto".

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Pero las bolas de fuego eran reales -- experimentos posteriores lo comprobaron.

"Las bolas de fuego son las llamas más débiles que tenemos", dice Ronney. "Comparadas con los 50 o 100 vatios que puede generar una velita en un pastel de cumpleaños, una de éstas bolas de fuego produce apenas 1 ó 2 vatios de potencia térmica. Queman muy poco combustible. Es casi como si el último mecanismo de defensa de una llama de hidrógeno ardiendo, que está por apagarse, fuese convertirse a sí misma en una bolita".

Ronney, quien es ahora profesor de ingeniería en la Universidad del Sur de California (University of Southern California), cree que las bolitas de fuego podrían ayudarle a él y a otros a resolver algunos misterios de la combustión. Considerando que la combustión es el proceso por el cual generamos energía para nuestros autos, electricidad o calor para nuestras casas, hay muchas cosas que aún no entendemos. "Por ejemplo", dice, "una cantidad moderada de turbulencia hace que una llama se queme más rápido, mientras que demasiada turbulencia la extingue". Nadie sabe porqué.

Abajo: Las pequeñas bolas de fuego que se forman en baja gravedad son difíciles de ver. Estas fueron filmadas en la oscuridad usando una cámara de video para luz baja a bordo del Transbordador Espacial Columbia en 1997.

ver leyendaLas llamas son difíciles de entender porque son complicadas. En la llama de una vela ordinaria, por ejemplo, ocurren miles de reacciones químicas. Moléculas de hidrocarburos provenientes de la mecha son evaporadas y fragmentadas por el calor. Se combinan entonces con oxígeno para producir luz, calor, bióxido de carbono y agua. Algunos de los fragmentos de los hidrocarburos forman moléculas en forma de anillo llamados hidrocarburos policíclicos aromáticos y, eventualmente, hollín. Las partículas de hollín pueden también quemarse o simplemente alejarse flotando en forma de humo. La familiar forma de lágrima de una llama es un efecto causado por la gravedad. El aire caliente sube, atrayendo aire fresco detrás. Esto se llama flotabilidad, y es lo que hace a la llama apuntar hacia arriba y titilar.

Por otro lado, las bolas de fuego son simples. Estas se forman únicamente en ambientes de baja gravedad donde la turbulencia y la flotabilidad tienen muy poco efecto. El oxígeno y el combustible se combinan en una zona angosta sobre la superficie de la bola, no aquí y allá por toda la llama. Una vez encendida y estabilizada, su tamaño permanece constante. A diferencia de las llamas ordinarias que se expanden vorazmente cuando necesitan más combustible, las bolas de fuego dejan que el oxígeno y el combustible vengan a ellas. Finalmente, el hecho de que las bolas de fuego sean esféricas reduce su número de dimensiones críticas a una sola: el radio de la llama.

"Las bolas de fuego son para los científicos de la combustión lo que las moscas de la fruta son para los genetistas", dice Ronney. "No es que deseemos más moscas de la fruta o más bolitas de fuego, pero es que ellas nos proveen de un modelo simple para probar hipótesis y verificar modelos por computadora".

ver leyendaDerecha: Un diagrama esquemático de una bola de fuego. Crédito: Paul Ronney.

Uno de los muchos misterios del fuego es la manera en que las llamas débiles se extinguen antes de que el combustible se acabe por completo. Es algo que confunde a los científicos y molesta a los fabricantes de automóviles, que quieren construir motores limpios, eficientes y que "quemen satisfactoriamente" la mezcla de aire y combustible con la que corren, usando una baja concentración de combustible -- de manera semejante a una bola de fuego. Ronney cree que estudiar una cosa (las bolas de fuego) nos llevará a entender la otra (los autos).

Aquí en la Tierra, los investigadores no pueden estudiar las bolas de fuego por mucho tiempo. Una caída típica en la torre dura apenas 2 segundos. Por esto, trabajando con la científica Karen Weiland de la NASA y con otros colaboradores del Centro de Investigaciones Glenn, Ronney diseño un experimento llamado Estructura de las Bolas de Fuego con Bajo Número de Lewis (SOFBALL por las siglas de este nombre en inglés). Es una cámara sellada donde las bolas de fuego que vuelan a bordo del Transbordador Espacial pueden durar quemándose un largo rato.

SOFBALL estuvo en órbita alrededor de la Tierra por primera vez en 1997 a bordo del Transbordador Columbia -- y produjo algunas sorpresas.

Los modelos por computadora habían pronosticado que las bolas de fuego serían pequeñas y que, o bien se extinguirían o bien flotarían a la deriva dentro de la cámara por unos cuantos minutos. En vez de ello, duraron de dos a tres veces más de lo esperado y se quemaron durante 8 minutos, hasta que el sistema experimental las extinguió automáticamente. Más aún, aunque las llamas eran grandes, fueron también las más débiles que se habían encontrado -- emitiendo un poco más de 1 vatio de energía térmica.

ver leyenda"Entendimos entonces que todavía nos quedan muchas cosas por aprender acerca de la combustión débil", recuerda Ronney.

Izquierda: La llama de una vela en la Tierra (izquierda) y a bordo del Transbordador Espacial (derecha). [más información]

El experimento, mejorado y re-titulado SOFBALL-2, pronto será enviado de nuevo al espacio. Ya está programado para lanzamiento a bordo del Transbordador Espacial Columbia (STS-107) a finales del año 2002 o en el 2003. Durante la misión, las bolas de fuego serán dispuestas para durar de 25 a 167 minutos. Varios instrumentos vigilarán su temperatura, brillo y pérdida de calor, así como la composición de sus productos gaseosos secundarios. Debido a que las bolas de fuego son muy sensibles al movimento, el Transbordador planeará en vez de usar sus retrocohetes para mantener la posición.

En razón a la importancia fundamental de la investigación, ésta toca muchos aspectos de la combustión: motores de bajo consumo para autos y aeroplanos, peligros de explosiones en pasajes de minas y plantas químicas, emisiones de autos y plantas de quemado de carbón, investigaciones sobre incendios provocados... La lista es larga, y no se acaba aquí en la Tierra.

Abajo: La astronauta Janice Voss (hermana de Linda Voss, co-autora de este artículo) monitorea un expermiento de combustión a bordo del Transbordador Columbia en 1997.

ver leyenda Las llamas actúan de manera diferente en el espacio, así que la seguridad contra incendios es también algo diferente en este ambiente. Si usted ve un incendio aquí en la Tierra, tal vez podría correr sobre él e intentar apagarlo a pisotones, o bien usar un extinguidor. En órbita, pisar o correr sobre un incendio podría acelerar la combustión, al menos temporalmente, porque estaríamos creando un flujo de aire que no existía antes. Las llamas en ambientes de baja gravedad tienden a distribuirse lentamente, de modo que pisarlas podría causar que una llama saltara sobre otro objeto combustible, cuando de otro modo, no hubiese ocurrido. Más aún, las bolas de fuego son difíciles de distinguir: no liberan humo y además emiten poca o ninguna luz visible. Es difícil extinguir algo que no puedes encontrar. ¿Qué sucede si una bola de fuego suelta choca contra algo? ¿Se encendería? SOFBALL-2 podría contestar muchas de estas preguntas.

SOFBALL será también el escenario para una serie de experimentos a largo plazo a bordo de la Estación Espacial Internacional, dentro de las Instalaciones para Fluidos y Combustión (Fluids and Combustion Facility) -- que aún no han sido instalados en el módulo-laboratorio de los EU. Es un largo camino desde Ohio, donde Ronney descubrió las bolas de fuego en 1984. Pero él dice que vale la pena el viaje para averiguar de qué otra manera "aquellas ridículas y pequeñas bolitas de fuego" nos podrían sorprender.

Más información

Oficina de Investigaciones Biológicas y Físicas de la NASA -- apoya los estudios de física básica para el beneficio de los seres humanos en el espacio y en la Tierra

SOFBALL volará de nuevo a bordo de la misión de investigación STS-107 a finales del año 2002 ó en el 2003.

Historia: Ronney no lo sabía en 1984, pero las bolas de fuego (o algo parecido a ellas) habían sido pronosticadas en 1944 por el físico soviético Yakov Zeldovich. Zeldovich pensó que el fenómeno, semejante a balancear una pluma sobre su punta, era posible en teoría pero demasiado inestable como para existir en la realidad. Y de hecho, las bolas de fuego pueden existir solamente bajo un grupo limitado de condiciones, siendo uno de los requisitos la baja gravedad (en inglés, microgravity), lo cual quiere decir que nunca habrían podido ser observadas bajo condiciones normales en la Tierra.

Llamas de Velas en Condiciones de Baja Gravedad (NASA/GRC)

Dr. Paul Ronney -- (USC) Portal.

La Física del Fuego: Combustión Infernal -- (discover.com) Después de miles de años de crepitantes investigaciones, la ciencia del fuego va ahora en órbita.

Más enlaces a lugares donde se realizan investigaciones sobre combustión en NASA : Portal de la Combustión en Condiciones de Baja Gravedad (NASA/GRC); SOFBALL (NASA/GRC); Portal del Módulo de Combustión (NASA/GRC)

Películas de bolas de fuego del experimento SOFBALL a bordo del Transbordador Espacial Columbia en 1997: película #1 (1 MB); película #2 (1 MB).


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Créditos y Contactos

Autores: Dr. Tony Phillips,Linda Voss
Funcionario Responsable de NASA: John M. Horack
Editor de Producción: Dr. Tony Phillips
Curador: Bryan Walls


Relaciones con los Medios: Steve Roy
Traducción al Español: Carlos Román
Traducción de Gráficas: Boris G. Simmonds
Editor en Español: Héctor Medina
El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión.