무중력 상태에서 화재 실험, 결과는? (동영상)

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-02-23 17:21:41
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- SAFFIRE 실험, 빈 우주 수송기 Cygnus에서 화재 실험
- 가열된 공기가 상승하지 않기 때문에 화염 속의 가스가 층화되어 혼합되지 않아
- 주택 화재시 천정에 뜨거운 공기 모였을 때 유사한 현상

불은 우주에서 "거꾸로" 태워진다.
화염은 공기 흐름의 반대 방향을 향해 퍼진다.

놀라운 관찰 :
무중력 상태에서 화재가 발생하면 지구에서 생각하는 것과 매우 다르다.
화염은 공기가 흐르는 것과 함께 퍼지지 않고 불어오는 쪽으로 이동하기 때문이다.
그러니 우주선에서 불을 끄는 것은 정말 나쁜 생각이다.
또한 가연성의 아직 점화되지 않은 가스는 화염 전면 뒤에 모이고 빠르게 점화될 수 있다. 

▲ 공기 흐름은 아래에서 나오지만 이러한 불꽃은 그쪽으로 향한다. 이유는 무중력 때문이다. © ZARM

화재는 우주 정거장에서 가장 큰 위험 중 하나다.
그곳에서 사람은 간단하게 밖으로 나갈 수 없기 때문이다.
무중력 상태에서 불과 화염이 어떻게 작용하는지 이해하는 것이 더욱 중요하다.
중요한 차이점은 지구상에서 가열된 공기는 화염 속에서 상승하고 신선한 산소가 아래에서 유입되어 화염에 영양을 공급한다는 것이다. 그러나 중력이 없으면 이 상향류가 없고 화염이 주변 공기의 산소를 빠르게 소비하고 꺼진다.

우주 수송기에서의 화재 실험

그러나 공기의 흐름이 우주 정거장의 불에 신선한 음식을 가져오면 어떨까?
연구팀은 최근 지구 궤도의 무중력 상태에서 이것을 조사했다.
모닥불은 우주에서 매우 위험하기 때문에 SAFFIRE 실험은 빈 Cygnus 우주 수송기에서 이루어졌다. 이는 화물을 ISS로 운반하고 돌아오는 길에 쓰레기를 가져다가 지구 대기에서 태워지는 공급 모듈이다.
▲ 시그너스 우주 수송기 출처: https://www.flickr.com/photos/nasa2explore/14493010430/

화재 테스트는 ISS에서 분리된 직후에 시작됐다.
늑골이 있는 플렉시 글라스 조각이 우주 정거장의 환기 시스템에 있는 구성 요소와 유사하게 일정한 공기 흐름으로 한쪽으로 날려졌다. 기압은 지구상의 기압의 70%였고 공기의 산소 함량은 26%였다. 이것은 미래 우주선의 상태에 해당하는 조건이다.
그런 다음 우연히 불꽃이 처음이 아니라 시스템 끝에서 점화되었다.

<무중력 상태에서 화재 실험 동영상 © ZARM>


화염이 기류를 향해 타들어 간다.

놀라운 일이 발생했다. 밖으로 나가거나 공기 흐름과 함께 퍼지는 대신 화염이 공기 흐름의 반대 방향으로 이동했다. 정상적인 중력에서는 불가능하다.
브레멘 대학의 응용우주기술 및 미세중력센터(ZARM)의 크리스티안 아이겐브로드(Christian Eigenbrod)는 “불타는 표면을 남기지 않는다는 것을 볼 수 있다”고 설명했다.
또한 비정상적으로 공기 흐름이 시작될 때 불꽃이 켜지면 공기와 함께 움직이지 않고 정지돼 있다.”

그런데 왜?
여기에서도 그 이유는 무중력이다.
가열된 공기가 상승하지 않기 때문에 화염 속의 가스가 층화되어 혼합되지 않는다.
따라서 화염은 공기 흐름에 의해 충돌하는 곳에서만 신선한 산소를 얻는다.
과학자들이 설명하는 것처럼 불꽃은 여기에서 가장 활동적이며 공기 흐름에 대해 놀랍도록 빠르게 퍼진다.

연소 되지 않은 가스로 인한 폭연 위험

또 다른 점이 있다.
화염은 공기의 유입과 연소에 대해 가열되고 탈기되는 그 아래 영역을 덮는다.
이것은 뒤에 있는 가스가 발화할 수 없음을 의미한다. 따라서 실험에서 흐름에 반대하여 앞으로 이동하는 화염 전면이 타는 표면을 남기지 않음을 알 수 있다.
대신 가연성이지만 연소되지 않은 연기 가스가 그 아래에서 생성된다.

▲ 화염은 공기의 유입과 연소에 대해 가열되고 탈기되는 그 아래 영역을 덮는다. (동영상 스크린 샷)

이는 기류의 아주 작은 교란조차도 이 뜨겁고 연소되지 않은 연기 가스에 산소를 공급하여 극적인 폭연을 일으킬 수 있음을 의미한다.
유사한 경우, 지상의 주택 화재 시 뜨겁고 가연성 가스층이 천장 아래에 모이면 비슷한 일이 발생하고 이것은 갑자기 창문을 열게 됨으로써 신선한 산소를 공급받는다. 이러면 위험한 화염 구름이 발생한다.
▲ 기류의 아주 작은 교란조차도 뜨겁고 연소되지 않은 연기 가스에 산소를 공급하여 극적인 폭연을 일으킬 수 있다.


실제로, SAFFIRE 실험 팀은 이미 우주에서 그러한 폭연을 경험했다.
이전 실험에서 Cygnus 수송기의 불꽃이 이미 꺼진 것처럼 보였고 기류가 다시 켜졌다.
이로 인해 화재가 갑작스럽고 격렬하게 타올랐다.

불을 끄는 행위는 아무것도 하지 않는 것보다 더 위험 할 수 있다.

이는 ISS 우주 정거장이나 우주 캡슐에서 화재를 진압하기 위한 긴급 상황에 대한 중요한 발견이다. 승무원이 화재 근처에서 빠르게 움직이거나 분사기로 진화를 시도하면 실제로 화염을 가열하는 공기 흐름을 만들 수 있기 때문이다.

최악의 경우에는 그 사람에게 직접 불이 옮겨 붙기도 한다.

따라서 소화 기술을 선택할 때 적극적인 개입이 가능한지 여부와 시기를 매우 신중하게 고려해야 한다고 과학자들은 설명했다.


출처 : 독일  응용 우주 기술 및 미세 중력 센터
(ZARM. Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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