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연소하는 수소 고속촬영, 화염은 프랙탈 패턴을 형성하면 전파.
수소는 밀리미터 두께의 균열과 낮은 수소 농도에서도 계속 연소돼.

수소는 프랙탈 모양으로 연소한다.
비좁은 공간에서 수소를 태우면 놀랍도록 기하학적인 화염 손가락이 생성된다

기하학적 불꽃 :
실험 결과에 따르면 수소는 연소할 때 놀라운 능력을 발휘한다.
밀폐된 공간에서 가스 불에 놓이면 화염은 프랙탈 패턴 (분기 형, 자기 유사 구조)을 형성한다. 이를 통해 수소는 밀리미터 두께의 균열과 낮은 수소 농도에서도 계속 연소된다.
이런 물리적으로 흥미로운 현상은 가스를 더 가연성으로 만든다.

▲ 이 프랙탈 패턴은 매우 좁은 균열에서 점화 될 때 연소하는 수소가 만드는 모양이다. © F. Veiga-López et al., Phys. Lett. 124, 174501 (2020 년)

수소는 가장 가벼운 화학 원소일 뿐만 아니라 미래 기후 친화적인 에너지 공급원으로 간주된다. H2는 전기, 난방 및 드라이브 연료로 사용되며 연소 중에 물만 생성된다. 그러나 위험하다. 수소는 가연성이 높으며 통제되지 않은 방식으로 산소와 반응하면 폭발을 일으킬 수 있다. 그것이 어떻게 타는지 정확히 아는 것이 더 중요하다.

불타는 수소를 고속 촬영으로 보기

이것이 바로 수소가 놀라게 하는 점이다.
마드리드 소재 카를로스 3세 대학의 페르난도 베가-로페즈(Fernando Veiga-Lopez)는 “지금까지는 매우 얇은 수소 불꽃이 좁아질 것으로 생각했다”고 말했다. 가스 화재는 일반적으로 매우 좁은 균열이나 높은 희석으로 배출되며 연료 공급이 이루어진다.

수소는 그 반대이다. 연구원들은 단지 몇 밀리미터 떨어진 두 개의 투명한 판 사이에 다양한 희석액의 수소 가스를 통과시켰다. 그런 다음 그들은 판의 가장자리에 가스를 비추고 고해상도 고속 카메라를 사용해 수소 화재의 확산 여부와 방법을 확인했다. 가스는 보이지 않는 불꽃으로 연소했지만 카메라는 화상 중에 생성된 물의 응축 흔적을 추적할 수 있었다.

불꽃은 프랙탈 패턴을 따른다.

놀라운 결과 :
불과 몇 밀리미터의 틈에도 불구하고, 연소하는 수소는 판 사이에 쉽게 퍼졌다.
공기 혼합물에서 5% 수소의 최저 농도에서도 화재가 지속되었다. Veiga-Lopez와 그의 팀은“이번 연구는 H2 불꽃이 매우 좁은 간격에서도, 매우 낮은 농도에서도 전례 없이 퍼져 나갈 수 있음을 처음으로 보여 주었다”고 말했다.

훨씬 더 놀라운 점은 이러한 극한 조건에서 불꽃 정면은 프랙탈 패턴으로 나뉜다.
연소 가스는 기하학적 화염 가지를 형성하는데, 이는 자체 유사한 방식으로 여러 번 분기되어 틈을 통해 전진한다. "이 프랙탈 확산은 곰팡이 또는 박테리아가 생성하는 패턴과 유사하다"라고 연구원들은 말했다. 그러한 행동은 이와 같은 조건에서 다른 무거운 가스로부터는 알려져 있지 않은 사실이다.

▲ 비좁은  틈새에서 수소 불꽃의 전파 패턴. 왼쪽에서 가스는 위에서 아래로, 오른쪽에서 반대 방향으로 연소된다. © F. Veiga-López et al., Phys. Rev. Lett. 124, 174501 (2020)

프랙탈은 어떻게 만들어질까?

그러나 프랙탈 패턴은 어떻게 생길까?
Veiga와 그의 동료들은 시뮬레이션을 사용했다.
이는 저 분자량의 수소가 더 무거운 가스보다 훨씬 빠르게 확산될 수 있음을 보여 주었다.
그래서 화염을 위한 충분한 연료가 밀리미터 폭의 틈새로도 흐를 수 있다.

화염 전면을 프랙탈 "핑거"로 분리하면 신선한 가스가 측면에서 유입될 수 있기 때문에 보충이 촉진된다. 연구원들이 설명 하듯이 연소 가스의 집중적인 열복사는 화염 전선의 필요한 분기를 제공한다. 바로 인접한 화염을 대체하므로 화염 핑거가 형성된다.

예상보다 더 가연성

결과적으로 수소는 독특한 연소 행동을 보일뿐 만 아니라 이전에 생각했던 것보다 더 위험하다. 실험은 가스가 훨씬 더 낮은 농도에서 연소되고 가장 좁은 틈에서도 꺼지지 않음을 보여주었다. Veiga와 그의 동료들은 수소 저장 및 탱크를 고려할 때 이 점을 고려해야 한다고 말했다.

(Physical Review Letters, 2020; doi: 10.1103/PhysRevLett.124.174501)
출처 : Universidad Carlos III de Madrid, American Physical Society (APS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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