Das Rätsel des blauen Feuerkreisels

College Park (USA) - Heißes Blau oder rußendes Gelb – die Farbe einer Flamme verrät viel über den Verbrennungsprozess. Mit einem blauen Feuerwirbel entdeckten Forscher vor vier Jahren rein zufällig eine zuvor völlig unbekannte Flammenform. Dieser Flammenwirbel entsteht, während Heptan – ein flüssiger Kohlenwasserstoff – verbrennt. Mithilfe von Computersimulationen haben die Forscher den Feuerwirbel nun noch genauer untersucht, wie sie in der „Science Advances“ berichten. Mit den Simulationen lassen sich nicht nur die Ursachen für die ungewöhnliche Form besser verstehen, sondern in Zukunft saubere und effizientere Verbrennungsprozesse entwickeln.

Vor vier Jahren wollten Xiao Zhang von der University of Maryland in den USA und ihre Kollegen mit ihren Versuchen eigentlich eine neue Methode finden, um Ölschichten nach Tankerunglücken möglichst effizient und schonend von Wasseroberflächen zu beseitigen. Dafür entzündeten die Forscher eine dünne Schicht aus Heptan, die auf Wasser schwamm. Beim Entzünden loderte zuerst eine rußig gelbe Flammensäule auf, doch kurz darauf stabilisierte sich knapp über der Wasseroberfläche ein kleiner, blauer Flammenwirbel. In der blauen Flamme verbrannte das Heptan dann rußfrei und vollständig. „Diese Flamme hat das Potenzial für eine ideale Energiequelle mit reduzierter Verschmutzung“, sagt Zhang.

Mit Computersimulationen auf Basis von komplexen Verbrennungsmodellen untersuchten Zhang und ihre Kollegen die speziellen Flammen nun noch genauer. In diesem Modell wurden viele verschiedene Parameter – vom Brennstoff über die Flammtemperatur bis zum Strömungsverhalten innerhalb der Flamme – berücksichtigt. Die Simulationen ergaben, dass die blauen Flammenwirbel aus vier Flammentypen bestehen: Unterhalb des Wirbels befindet sich eine trichterförmige Mischzone, in der ein Überschuss an Brennstoff vorliegt. Oberhalb dominiert ein schwach violetter Flammenbereich, in dem der für die Verbrennung benötigte Sauerstoff in die Flamme diffundiert. Rund um diese Diffusionsflamme zeigte das Computermodell wieder eine Mischzone – jedoch mit einem Überschuss an Sauerstoff. Wo sich diese drei Zonen treffen, bildet sich der blaue Flammenwirbel.

Die Ergebnisse der Simulationen verglichen die Forscher mit der Flammenstruktur im Experiment und fanden eine sehr große Übereinstimmung. Auf dieser Grundlage ließen sich nach Aussage der Forscher künftig Brennkammern entwickeln, in denen die blauen Flammenwirbel kontrollierter als bisher erzeugt werden. Einige offene Fragen will Xiao Zhang in weiteren Versuchen und Simulationen noch klären: Wie lassen sich blauen Flammenwirbel in verschiedenen Größen erzeugen? Und wie vermeidet man das heftige Auflodern bevor sich die blaue Wirbel bildet?