I årtionden, forskare har kunnat bränna bränsle i en låga utan att skapa något sot, och de tror att de vet varför. De har knäckt siffrorna och gjort experiment i högteknologiska anläggningar, men det finns bara ett sätt att vara säker på det grundläggande förhållandet mellan lågor och sot:

De måste tända en eld i rymden.

För detta ändamål, Astronauten Christina Koch – för närvarande ombord på den internationella rymdstationen (ISS) och förväntas sätta rekord för den längsta rymdfärden av en kvinna – har börjat arbeta med experiment för att antända en låga, observera och studera sedan dess egenskaper. Om experimenten visar vad jordbundna forskare förväntar sig att de kommer, detta kan leda till en ny, grundläggande förståelse för förbränningens egenskaper.

"Vi ska mäta sot, utvärdera lågans styrka, strålningen som kommer från lågan och gasens sammansättning och temperaturer, så att vi kan säkerställa att våra förutsägelser är korrekta, sade Richard Axelbaum, Stifel &Quinette Jens professor i miljöteknik vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis. För detta projekt, han kommer att få hjälp av Peter Sunderland, professor vid University of Maryland.

Axelbaum är också chef för Consortium for Clean Coal Utilization, och det finns en sak som sot inte är:rent.

"Sot, nummer ett, är en förorening. Det kan också vara cancerframkallande, så vi vill inte andas in en massa sot, " sa Axelbaum. "Och det kan absorbera solljus och värma planeten." Det är, faktiskt, den näst största bidragsgivaren till atmosfärisk uppvärmning, bredvid koldioxid.

Med tillräckligt med syre, förbränning frigör den maximala mängden energi som är tillgänglig från bränslet som förbränns – det brinner effektivt – och biprodukterna är bara koldioxid och vatten. Sot, som är en biprodukt av ofullständig förbränning, uppstår när syre inte är tillgängligt för förbränning. Till exempel, i en ljus låga, det mjuka gula skenet kommer från sotpartiklar – producerade i lågans inre – som värms upp till höga temperaturer

För många människor, förbränning är mest bekant som eld, vare sig det är ett ljus eller en lägereld. Bränslet reagerar i en atmosfär som huvudsakligen består av kväve – luften vi andas är cirka 78 % kväve, 21 % syre och små mängder av olika andra gaser. Och det välbekanta gula skenet är en indikation på att det bildas sot i dessa lågor.

"Men om jag tar ut kvävet ur luften och lägger det i bränslet, du har fortfarande samma kväve-syre-bränsleblandning, Axelbaum sa, "men det förändrar flammans struktur dramatiskt." Samma ingredienser i samma proportioner, men blandat annorlunda, helt undertrycka bildningen av sot under förbränning.

"Vi kallar denna flamma design eftersom du använder samma ingredienser men, med bra design, ger förhållanden som i sig aldrig kan producera sot.

"På samma gång, lågan är starkare, gör den mer motståndskraftig mot att släckas lokalt, som skulle leda till ofullständig förbränning och förorening, Axelbaum sa. "Så det är två mycket bra resultat av flammdesign."

Så varför tända en eld i rymden?

Så länge som människor har tänt eld, det finns fortfarande obesvarade frågor om förbränningens karaktär. För en, det finns konkurrerande teorier om varför detta tillvägagångssätt för förbränning ger flammor som inte kan producera sot.

"Det är en grundläggande fråga, Axelbaum sa, "och det finns två konkurrerande teorier för att tolka våra resultat." En teori är att svaret är relaterat till flödesfältet, specifikt flödet av gaserna i lågan. Den andra teorin, ställd av Axelbaum, är att sotdämpningen är relaterad till en inneboende egenskap hos flamstrukturen, och inte relaterat till vätskeflöde. Om så är fallet, detta kan ha viktiga konsekvenser för hur vi dämpar sot i förbränningsprocesser.

"På jorden, om du har en låga, säg ett ljus, lågans form går alltid upp, " sa Axelbaum. "Det beror på att de heta gaserna i lågan inte är lika täta som de omgivande gaserna, och så reser de sig, som en luftballong. Således, vi kan inte systematiskt kontrollera detta flöde på jorden."

I en mikrogravitationsmiljö – en där gravitationens effekter är betydligt svagare än på jorden – flödar inte en låga upp. Faktiskt, lågorna i Axelbaums experiment på ISS bildar sfärer.

Om sotfri förbränning är en funktion av flödesfältet, sedan i mikrogravitation, samma blandning av syre och kväve-infunderat bränsle kommer att skapa sot. Men om undertryckandet av sot är relaterat till egenskaper som är inneboende i flamstrukturen, forskare borde se samma sak i rymden – inget sot.

Forskare kommer också att kunna mäta hur länge lågan varar, vilket indikerar hur stark den är. På nytt, de förväntar sig att den är starkare än en låga som brinner med en blandning av kväve och syre (luft) på grund av lågans struktur.

"Vi ska till utrymme för att göra grundläggande forskning, för att få en djupare förståelse av förbränningsvetenskap, sa Axelbaum.

"Vi åker till rymden för att få en kontrollerad miljö som skiljer sig från vad du har här nere, " sa han. "Kunskapen vi får kan översättas till vad som händer på jorden, för att ge en mer miljövänlig förbränning."