Поток исследований на окраине космоса

Так называемые фронты реакции и диффузии возникают, когда два химических вещества реагируют друг с другом и диффундируют одновременно. Ученые могут использовать этот эффект для моделирования и лучшего понимания проблем в химии и физике, а также в совершенно других областях, таких как финансовый мир или лингвистика, поскольку основные математические уравнения имеют одни и те же свойства. Все становится сложнее, когда исследователи объединяют эти взаимодействия с потоками. Процессы этого типа важны для технологических приложений, связанных с процессами горения, геологией, производством конкретных материалов и хранением углекислого газа. Несмотря на множество применений, основные части этих систем еще не до конца изучены.

«До сих пор эксперименты по проверке моделей таких процессов искажались эффектами плавучести, возникающими из-за различий в плотности реакционных растворов, мы проводили эксперименты с использованием невесомости на борту зондирующей ракеты, объясняя работу ее команды:» Наши партнеры провели параллельное численное моделирование, чтобы показать важность двумерных эффектов, которые невозможно учесть в простых одномерных моделях».

Ракета взлетает за Полярный круг

Эксперимент был проведен 1 октября 2022 года – на борту ракеты-зонда TEXUS-57, запущенной с космодрома Эсрейндж в 40 километрах к востоку от Кируны в Швеции. Совместный проект с участием Airbus Defence & Space, Европейского космического агентства (ЕКА) и Немецкого аэрокосмического центра (DLR), среди прочего, перенес экспериментальную модель команды Шварценбергера на окраину космоса. Установка содержит три реактора разного размера, состоящие из стеклянных панелей, уложенных друг на друга на разном расстоянии. Ракета достигла высоты 240 километров, достигнув состояния практически полной невесомости примерно на шесть минут. За этот период исследователи смогли автоматизировать свои эксперименты, что стало результатом нескольких лет тщательного планирования. Реакция сработала, когда началась невесомость. Три камеры высокого разрешения сфотографировали фронты реакции, распространяющиеся между двумя текущими жидкостями. Эти изображения были в центре внимания всей команды: с их помощью исследователи теперь могут отделить очень специфический эффект смешивания от других явлений потока.

Физика течения в невесомости

Потоки в жидкостных каналах имеют неравномерное распределение скоростей из-за трения о стенки, что впоследствии влияет на транспорт растворенных веществ и диффузию реагентов в жидкости. Этот диффузионный эффект известен как рассеяние Тейлора-Овна, по имени двух исследователей, которые заложили основы его понимания в 1950-х годах. В прошлом теоретические исследования предлагали модели различной сложности для описания взаимодействия рассеяния Тейлора-Овна и химических реакций.

Однако что касается приложений, важно оценить предпосылки, при которых могут использоваться различные модели. Это означает проведение экспериментов по изоляции рассеяния Тейлора-Овна от других явлений потока. На Земле рассеяние Тейлора-Овна в основном вызвано эффектами гравитационной плавучести. До сих пор исследователи пытались уменьшить эффект плавучести с помощью неглубоких реакторов, но они никогда не добивались полного успеха, поскольку все еще необходимо охватить определенный диапазон высот реактора и скоростей потока, чтобы удовлетворить многие области применения. Но чем больше система потоков, тем сильнее гравитация. Теперь исследователи смогли преодолеть эти ограничения в условиях невесомости.

Сравнение с эталонными экспериментами на Земле показало, что на более высоких высотах реактора в невесомости образуется гораздо меньшее количество продуктов реакции. Более важными являются данные изображения фронтов взаимодействия, не искаженные эффектами плавучести. Таким образом, брюссельские партнеры смогли воспроизвести развитие фронта в различных теоретических моделях. Совместная оценка показала, что в очень мелких реакторах с медленным потоком можно использовать простые одномерные модели. Однако для более крупных реакторов или более быстрого потока требуются 2D-модели с использованием рассеяния Тейлора-Овна.

В пределах этого диапазона достоверности соответствующие корреляции теперь можно использовать для прогнозирования состава продукта. Это может быть использовано для создания инновационных реакторов, для целенаправленного синтеза частиц и транспорта жидкости в геологических пластах, а также для питания космических станций, где гравитационные условия отличаются от земных.