Vad som hade varit ett fredligt och produktivt uppdrag för de sex männen ombord på den ryska rymdstationen Mir, inklusive den amerikanske astronauten Jerry Linenger, blev nästan en tragisk mardröm på kvällen den 24 februari, 1997. En litiumperkloratkapsel, designad för att generera syre via en kemisk reaktion, plötsligt brast i lågor när den aktiverades. Trots att branden snabbt dämpades, en tät, Livshotande rök – annorlunda i form och rörelse än dess gravitationsbundna motsvarighet på jorden – fyllde snabbt stationen. Att vara instängd i ett begränsat område 360 ​​kilometer (224 miles) ovanför närmaste brandkår gjorde situationen ännu mer prekär. "Du kan inte bara öppna ett fönster för att ventilera rummet, " kommenterade kosmonauten Aleksandr Lazutkin i en NASA-rapport om händelsen.

Lyckligtvis, logiskt tänkande och snabba åtgärder från Mir-besättningen begränsade brandens påverkan och förhindrade att några skador eller rökrelaterade komplikationer uppstod. Men lärdomarna den dagen har inte glömts bort av NASA. Arbetar med National Institute of Standards and Technology (NIST) sedan 2002, rymdorganisationen har intensivt studerat rökens beteende i mikrogravitation som grunden för att utvecklas snabbt, känsliga och pålitliga metoder för att upptäcka det under rymdfärd. I en ny tidning i Brandsäkerhetstidning ( FSJ ), ett team av forskare från NASA och NIST beskriver hur de såg på rökpartiklarna som produceras av fem material som vanligtvis används ombord på rymdfarkoster med besättning, definierade deras egenskaper och utvärderade hur väl de kunde detekteras av två traditionella system.

Eftersom inte alla partiklar detekterades konsekvent, forskarna rekommenderar att "nästa generation av branddetektorer för rymdfarkoster måste förbättras och testas mot rök från relevanta rymdmaterial."

Att upptäcka en brand i rymden kräver en helt annan process än på jorden. Här, flytkraft – som är beroende av gravitationen – får heta gaser att stiga och gör att en låga sträcker sig till en lång och spetsig form. Rökpartiklar stiger också, det är därför vi placerar detektorer i taket. I mikrogravitation, det finns ingen flytkraft, så lågorna är sfäriska till formen med röken som ofta samlas till stora partiklar eller långa kedjor som sprider sig i alla riktningar. Därför, rökdetektorer på den internationella rymdstationen (ISS) och andra moderna rymdfarkoster placeras i ventilationssystemet snarare än på en fackvägg (det finns ingen "upp och ner" i en rymdfarkost för att definiera ett tak ändå.).

Dessutom, materialet ombord på en rymdfarkost som kan bli bränsle för en brand är inte detsamma som potentiellt brännbart i markmiljöer. Detta innebär att röken som genereras av en brand i mikrogravitation också kan ha olika egenskaper beroende på källan, och dessa egenskaper måste beaktas vid utformning av effektiva rökdetektorer för bemannade fordon.

För att vetenskapligt definiera egenskaperna och beteendet hos rökpartiklar i rymden, NASA och NIST genomförde Smoke and Aerosol Measurement Experiment (SAME) ombord på ISS. Resultaten från denna långtidsstudie diskuteras i den nya FSJ papper.

SAME undersökte rökpartiklarna som produceras av fem material som vanligtvis finns ombord på rymdfarkoster:cellulosa, i form av en bomullslampveke; Kapton, en polymer som används för värmeisolering; silikongummi, används i tätningar och packningar; Teflon, används i isolerande ledningar; och Pyrell, ett polyuretanskum som används för att packa föremål för att överleva krafterna från lansering och återinträde.

Proverna, insvept i trådfilament, lastades av en ISS-astronaut i en roterbar karusell innesluten i ett av stationens handskfack. Ett program skulle sedan applicera elektrisk ström till ledningarna för att värma upp materialen och producera rök. Röken "åldrades" sedan i en kammare för att simulera den tid det skulle ta att byggas upp i ett riktigt brandscenario. I var och en av SAME körningar, den åldrade röken riktades till sex enheter:en provsamlare (för elektronmikroskopisk analys på jorden som definierade morfologin hos rökpartiklarna), en partikelräknare, en kommersiell rökdetektor och en massmonitor som används för att mäta partikelstorlek, och två olika rökdetektorer för rymdfarkoster, joniseringsmodellen som användes under rymdfärjeprogrammet och det fotoelektriska systemet nu ombord på ISS.

"Genom att kontrollera och ändra tre faktorer:graden av provuppvärmning, luftflödet som passerar runt det uppvärmda materialet och åldern på röken som genereras, vi fick värdefull information om rök från en mängd olika möjliga brandförhållanden, sa Tom Cleary, en författare på FSJ papper och NIST-ingenjören som kalibrerade utrustningen som användes i SAME.

Att utvärdera prestandan hos den nuvarande ISS rökdetektorn gav ett något oroande fynd.

"De stora rökpartiklarna som produceras genom överhettning av cellulosan, silikon- och Pyrell-prover plockades lätt upp av den ljusspridande fotoelektriska ISS-detektorn, sa Marit Meyer, en forskningsflygingenjör vid NASA Glenn Research Center i Cleveland, Ohio, och huvudförfattare på FSJ papper. "Dock, det misslyckades ofta med att upptäcka de mindre rökpartiklarna från Teflon och Kapton, ett stort problem eftersom båda materialen används flitigt i elektronik, vilket är den mest sannolika källan till brand och rök i rymden."

Meyer tillade att den äldre joniseringsdetektorn från rymdfärjans era klarade sig bara något bättre för teflonrök.

"Med tanke på det breda utbudet av material och uppvärmningsförhållanden som är möjliga i en rymdfarkostbrand, såväl som komplikationerna från bakgrundsaerosoler i kabinmiljön, såsom damm, vi drog slutsatsen att ingen enskild rökdetektionsmetod som finns tillgänglig för närvarande är tillräckligt känslig för att detektera alla möjliga rökpartikelstorlekar, ", sa hon. "Mer forskning behövs för att bättre förstå hur bränder beter sig i mikrogravitation, och i sin tur, hur man bäst upptäcker dem så tidigt som möjligt av vilken typ av rök de än skapar."

Att hjälpa till att tillhandahålla den kunskapen är målet för nästa nivå NASAs brandstudie, rymdfarkostens brandexperiment, även känd som Saffire. Under tre tester som genomfördes 2016 och 2017, obemannade ISS-lastfartyg i slutet av sina uppdrag förvandlades till brandlaboratorier i omloppsbana, komplett med sonder, sensorer, kameror och andra sofistikerade enheter. Markpersonal antände Saffire-bränsleproverna på distans, övervakade testets framsteg, och samlade in de producerade branddata. Varje experiment slutade passande nog med att fordonet brann upp i jordens atmosfär.

Ytterligare tre Saffire-brännskador är planerade till 2019 och 2020, som också kommer att omfatta rökpartikelmätningar. Som med SAME, NIST:s Cleary kalibrerar alla rökpartikelinstrument som används i programmet.