Железная пыль загорается по расписанию экспресс
Железная пыль горит, как крошечный фейерверк: вспышка, жар, искры. Чтобы этот фейерверк стал безопасным топливом для электростанций, нужно точно знать, когда и как частица загорится. До сих пор инженеры действовали вслепую: видели, что порошок горит, но не могли заглянуть внутрь отдельной крупинки.
В новой работе физики направили на одиночные железные шарики размером в десятки микрометров (тоньше человеческого волоса) лазер и сверхскоростную камеру. Камера делала миллион снимков в секунду, а лазер измерял температуру частицы в каждый момент. Оказалось, перед воспламенением частица проходит три чёткие ступени, как альпинист три базовых лагеря перед вершиной. Сначала плавится тонкая оксидная плёнка на поверхности — та самая ржавчина, которая всегда покрывает железо. Затем внутри металла атомы перестраиваются из одной упаковки в другую, и температура на мгновение замирает. Наконец, плавится само железо, и только после этого начинается яркое горение.
Учёные построили математическую модель, которая предсказывает эти времена для частиц разного диаметра. Модель совпала с экспериментом с точностью до нескольких процентов. Теперь конструкторы железных горелок могут заранее рассчитать, при какой температуре и подаче кислорода частицы заданного размера загорятся полностью и не потухнут на полпути. Это шаг к энергетике, где вместо угля и газа сжигают перерабатываемую железную пыль — без выбросов углекислого газа, с золой в виде оксида железа, которую можно снова восстановить в металл.
Оксидная плёнка на поверхности железа плавится при температуре около 1370 °C, а само железо — при 1538 °C. Разница всего в 168 градусов, но именно она определяет, как быстро частица загорится.