Πως συμπεριφέρονται τα υγρά όταν βράζουν στο διάστημα σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας;

Συχνές ερωτήσεις: Σεπτέμβριος 2001

Την επόμενη φορά που θα τύχει να παρακολουθείτε το νερό να βράζει μέσα σ' ένα δοχείο, για να ετοιμάσετε τον καφέ σας ή τη σούπα σας, σκεφθείτε για μια στιγμή πως θα έμοιαζε το φαινόμενο αυτό αν συνέβαινε στο διάστημα. Οι φυσαλίδες που στροβιλίζονται θα ανέβαιναν ή θα έπεφταν; Και πόσο μεγάλες θα ήταν; Θα παρέμενε το νερό μέσα στο δοχείο τελικά ή μήπως όχι;

Μέχρι πριν λίγα χρόνια κανείς δεν ήξερε την απάντηση στα ερωτήματα αυτά. Στην πραγματικότητα οι επιστήμονες συναντούν δυσκολία να κατανοήσουν το περίπλοκο φαινόμενο του βρασμού εδώ στην επιφάνεια της γης, πόσο μάλλον στο διάστημα! Το ερώτημα αυτό όμως έχει πρακτική σημασία για τους φυσικούς αφού ο βρασμός δεν συμβαίνει μόνο στον καφέ αλλά και στα συστήματα που εξασφαλίζουν την ισχύ των διαστημοπλοίων αλλά και την ψύξη των μηχανών τους.

Αριστερά: Χωρίς άνωση ή ρεύματα διάδοσης τα υγρά που βράζουν συμπεριφέρονται τελείως διαφορετικά στο διάστημα.

Το να μάθουμε πως βράζουν τα υγρά στο διάστημα δεν ικανοποιεί μόνο την περιέργειά μας. Θα μπορούσε να μας οδηγήσει κάποια μέρα σε πιο αποτελεσματικά συστήματα ψύξης όπως για παράδειγμα σ' ένα σύστημα βασισμένο στην αμμωνία που θα χρησιμοποιηθεί στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Η γνώση του βρασμού στο διάστημα θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί κάποια μέρα στο σχεδιασμό μηχανών παραγωγής ισχύος σε διαστημικούς σταθμούς οι οποίοι θα στηρίζονται στο βρασμό ενός υγρού από το ηλιακό φως, για τη δημιουργία ατμού ο οποίος με τη σειρά του θα κινεί μια τουρμπίνα για την παραγωγή ηλεκτρισμού.

Δεξιά: Ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός χρησιμοποιεί ένα ψυκτικό σύστημα δύο φάσεων στο οποίο η αμμωνία μετατρέπεται από υγρή σε αέρια και αντίστροφα. Στη μετατροπή αυτή λαμβάνει χώρα και βρασμός.

Πειράματα που έγιναν με το ψυκτικό υγρό φρέον τόσο στο διάστημα όσο και στη Γη, αποκάλυψαν σημαντικές διαφορές μεταξύ τους. Για παράδειγμα, όταν ένα υγρό βράζει σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, αντί για χιλιάδες φυσαλίδες που αφρίζουν σχηματίζεται μια γιγαντιαία φυσαλίδα που κάνει κυματισμούς και καταπίνει όλες τις μικρότερες. (Βλέπε εικόνα άνω.)

Το φαινόμενο του βρασμού είναι τόσο πολύπλοκο ώστε η προσέγγισή του είναι μάλλον εμπειρική παρά στηρίζεται σε λύση θεμελιωδών εξισώσεων.

Σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, ο βρασμός είναι απλούστερος απ' ότι στην επιφάνεια της γης. Η έλλειψη βαρύτητας εξαλείφει δύο από τους παράγοντες πολυπλοκότητας του βρασμού. Την άνωση και τα ρεύματα θερμικής διάδοσης. Αυτή η διαφορά εξηγεί γιατί ο βρασμός διαφέρει τόσο πολύ στο διάστημα.

Αριστερά: Χωρίς άνωση, ο ατμός που παράγεται με το βρασμό απλά αιωρείται σαν φυσαλίδα μέσα στο υγρό μετά το τέλος της προσφοράς θερμότητας. Τα φαινόμενα επιφανειακής τάσης κάνουν τις πολλές μικρές φυσαλίδες που παράγονται να προσκολλώνται υπό μορφή μιας μεγάλης σφαίρας. Στη γη η άνωση θα τις έκανε ν' ανεβαίνουν βίαια χωρίς να προλαβαίνουν να κολλήσουν μεταξύ τους.

Όταν ένα δοχείο νερού θερμαίνεται στη γη, η βαρύτητα αναγκάζει τις θερμότερες περιοχές του νερού ν' ανέρχονται και τις ψυχρές σαν πιο πυκνές να βυθίζονται. Η διαδικασία αυτή λέγεται μεταφορά και έχει ως αποτέλεσμα την διάδοση της θερμότητας σε όλη τη μάζα του υγρού. Όταν τώρα το υγρό αρχίσει να βράζει, η άνωση στέλνει τις φυσαλίδες στροβιλιζόμενες προς τα επάνω.

Χωρίς τη μεταφορά ή την άνωση, το φαινόμενο εξελίσσεται διαφορετικά. Η μάζα του νερού που θερμαίνεται δεν ανυψώνεται αλλά παραμένει δίπλα από την θερμαντική επιφάνεια και συνεχίζει να γίνεται όλο και πιο θερμή. Οι περιοχές του υγρού μακριά από την θερμαντική επιφάνεια παραμένουν σχετικά ψυχρές. Επειδή λοιπόν μια πιο μικρή μάζα νερού είναι αυτή που θερμαίνεται, φτάνει σε κατάσταση βρασμού πολύ πιο γρήγορα. Επίσης, καθώς σχηματίζονται οι φυσαλίδες ατμού, δεν ανεβαίνουν προς την επιφάνεια, αλλά συγκεντρώνονται σε μια γιγαντιαία φυσαλίδα που ταλαντεύεται μέσα στη μάζα του υγρού. 

Όλες αυτές οι κινήσεις κάνουν τη φυσική περιγραφή της κατάστασης αρκετά περίπλοκη.