Wat een vreedzame en productieve missie was geweest voor de zes mannen aan boord van het Russische ruimtestation Mir, waaronder de Amerikaanse astronaut Jerry Linenger, werd bijna een tragische nachtmerrie tijdens de avond van 24 februari, 1997. Een lithium-perchloraat bus, ontworpen om zuurstof te genereren via een chemische reactie, plotseling in vlammen opgaan wanneer geactiveerd. Hoewel het vuur snel geblust was, een dichte, levensbedreigende rook - anders in vorm en beweging dan zijn zwaartekrachtgebonden tegenhanger op aarde - vulde snel het station. Doordat ze opgesloten zaten in een beperkt gebied van 360 kilometer (224 mijl) boven de dichtstbijzijnde brandweer, werd de situatie nog precairder. "Je kunt niet zomaar een raam openzetten om de kamer te ventileren, " merkte kosmonaut Aleksandr Lazutkin op in een NASA-rapport over het incident.

Gelukkig, logisch nadenken en snel handelen van de Mir-crew beperkten de impact van de brand en voorkwamen verwondingen of rookgerelateerde complicaties. Maar de lessen die die dag zijn geleerd, zijn door NASA niet vergeten. In samenwerking met het National Institute of Standards and Technology (NIST) sinds 2002, de ruimtevaartorganisatie heeft het gedrag van rook in microzwaartekracht intensief bestudeerd als basis voor snelle ontwikkeling, gevoelige en betrouwbare methoden om het te detecteren tijdens ruimtevluchten. In een nieuwe krant in Brandveiligheidsjournaal ( FSJ ), een team van NASA- en NIST-onderzoekers beschrijft hoe ze keken naar de rookdeeltjes die worden geproduceerd door vijf materialen die vaak worden gebruikt aan boord van bemande ruimtevaartuigen, definieerden hun kenmerken en evalueerden hoe goed ze konden worden gedetecteerd door twee traditionele systemen.

Omdat niet alle deeltjes consequent werden gedetecteerd, de onderzoekers bevelen aan dat "de volgende generatie branddetectoren voor ruimtevaartuigen moet worden verbeterd en getest tegen rook van relevante ruimtematerialen."

Het detecteren van een brand in de ruimte vereist een heel ander proces dan op aarde. Hier, drijfvermogen - dat afhankelijk is van de zwaartekracht - zorgt ervoor dat hete gassen opstijgen en zorgt ervoor dat een vlam zich uitbreidt tot een lange en puntige vorm. Rookdeeltjes stijgen ook op, daarom plaatsen we detectoren aan het plafond. In microzwaartekracht, er is geen drijfvermogen, dus vlammen zijn bolvormig, waarbij de rook vaak samengaat in grote deeltjes of lange ketens die zich in alle richtingen verspreiden. Daarom, rookmelders op het internationale ruimtestation (ISS) en andere moderne ruimtevaartuigen worden in het ventilatiesysteem geplaatst in plaats van op een compartimentwand (er is sowieso geen "op en neer" in een ruimtevaartuig om een ​​plafond te definiëren.).

Aanvullend, de materialen aan boord van een ruimtevaartuig die brandstof voor een brand kunnen worden, zijn niet hetzelfde als potentiële brandbare stoffen in terrestrische omgevingen. Dit betekent dat de rook die wordt gegenereerd door een brand in microzwaartekracht ook verschillende eigenschappen kan hebben, afhankelijk van de bron, en met die eigenschappen moet rekening worden gehouden bij het ontwerpen van effectieve rookmelders voor bemande voertuigen.

Om de kenmerken en het gedrag van rookdeeltjes in de ruimte wetenschappelijk te definiëren, NASA en NIST voerden het Smoke and Aerosol Measurement Experiment (SAME) uit aan boord van het ISS. De bevindingen van dit langlopende onderzoek worden besproken in de nieuwe FSJ papier.

SAME onderzocht de rookdeeltjes die worden geproduceerd door vijf materialen die vaak aan boord van ruimtevaartuigen worden aangetroffen:cellulose, in de vorm van een katoenen lampenlont; Kapton, een polymeer dat wordt gebruikt voor thermische isolatie; siliconenrubber, gebruikt in afdichtingen en pakkingen; teflon, gebruikt in isolatiedraden; en Pyrel, een polyurethaanschuim dat wordt gebruikt voor het verpakken van artikelen om de krachten van lancering en terugkeer te overleven.

De voorbeelden, verpakt in draadfilamenten, werden door een ISS-astronaut in een draaibare carrousel geladen die is ingesloten in een van de handschoenenkastjes van het station. Een softwareprogramma zou dan elektrische stroom op de draden toepassen om de materialen te verwarmen en rook te produceren. De rook werd vervolgens "verouderd" in een kamer om de tijd te simuleren die nodig zou zijn om zich op te bouwen in een echt brandscenario. In elk van DEZELFDE runs, de verouderde rook werd naar zes apparaten geleid:een monsterverzamelaar (voor elektronenmicroscopische analyse op aarde die de morfologie van de rookdeeltjes definieerde), een deeltjesteller, een commerciële rookmelder en een massamonitor die wordt gebruikt om de deeltjesgrootte te meten, en twee verschillende rookmelders voor ruimtevaartuigen, het ionisatiemodel dat werd gebruikt tijdens het spaceshuttle-programma en het foto-elektrische systeem dat nu aan boord van het ISS is.

"Door drie factoren te controleren en te veranderen:de snelheid van monsterverwarming, de luchtstroom die rond het verwarmde materiaal gaat en de ouderdom van de gegenereerde rook, we hebben waardevolle gegevens verkregen over rook van verschillende mogelijke brandomstandigheden, " zei Tom Cleary, een auteur op de FSJ papier en de NIST-ingenieur die de apparatuur heeft gekalibreerd die in SAME wordt gebruikt.

Het evalueren van de prestaties van de huidige ISS-rookmelder leverde een enigszins verontrustende bevinding op.

"De grote rookdeeltjes die worden geproduceerd door oververhitting van de cellulose, siliconen- en Pyrell-monsters werden gemakkelijk opgepikt door de lichtverstrooiende foto-elektrische ISS-detector, " zei Marit Meyer, een onderzoeksruimtevaartingenieur bij het NASA Glenn Research Center in Cleveland, Ohio, en hoofdauteur op de FSJ papier. "Echter, het slaagde er vaak niet in om de kleinere rookdeeltjes van Teflon en Kapton te detecteren, een grote zorg omdat beide materialen op grote schaal worden gebruikt in elektronica, wat de meest waarschijnlijke bron van vuur en rook in de ruimte is."

Meyer voegde eraan toe dat de oudere ionisatiedetector uit het tijdperk van de spaceshuttle het maar iets beter deed voor teflon-rook.

"Gezien het brede scala aan materialen en verhittingsomstandigheden die mogelijk zijn bij een brand in een ruimtevaartuig, evenals de complicaties van achtergrondaerosolen in de cabineomgeving, zoals stof, we concludeerden dat geen enkele rookdetectiemethode die momenteel beschikbaar is, gevoelig genoeg is om alle mogelijke rookdeeltjesgroottes te detecteren, " zei ze. "Er is meer onderzoek nodig om beter te begrijpen hoe branden zich gedragen in microzwaartekracht, en op zijn beurt, hoe ze het beste zo vroeg mogelijk kunnen worden gedetecteerd door wat voor soort rook ze ook creëren."

Helpen die kennis te verschaffen, is het doel van de NASA-brandstudie op het volgende niveau, het ruimtevaartuigvuurexperiment, ook bekend als Saffier. Tijdens drie tests uitgevoerd in 2016 en 2017, onbemande ISS-vrachtschepen werden aan het einde van hun missies omgevormd tot brandlaboratoria in een baan om de aarde, compleet met sondes, sensoren, camera's en andere geavanceerde apparaten. Grondpersoneel heeft de Saffire-brandstofmonsters op afstand in brand gestoken, bewaakt de voortgang van de test, en verzamelde de geproduceerde brandgegevens. Elk experiment eindigde passend met het verbranden van het voertuig in de atmosfeer van de aarde.

Er staan ​​nog drie Saffire-brandwonden gepland voor 2019 en 2020, die ook metingen van rookdeeltjes omvat. Net als bij SAME, NIST's Cleary kalibreert alle rookdeeltjesinstrumenten die in het programma worden gebruikt.