Como as explosões explodem?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/11/2019

Cortes mostrando detalhes da irrupção de uma explosão não confinada.
[Imagem: Poludnenko et al. - 10.1126/science.aau7365]

Explosões abertas e explosões fechadas

Explosões termonucleares descomunais no espaço e pequenas explosões químicas na Terra se comportam basicamente da mesma maneira.

É o que garantem Alexei Poludnenko e uma equipe de várias universidades dos EUA, que demonstraram isso em uma teoria unificada dos processos de turbulência que geram tanto as explosões confinadas como as não confinadas.

Tipicamente, para formar uma detonação, a queima do combustível deve ocorrer em um ambiente confinado com paredes ou obstáculos, que limitam as ondas de pressão liberadas pela queima. À medida que a pressão aumenta, formam-se ondas de choque, que podem crescer em força até o ponto em que podem comprimir a mistura reagente, acendendo-a inteira de uma vez só e produzindo uma frente supersônica autossustentável.

As estrelas não têm paredes ou obstáculos, o que tornava difícil de entender as detonações devastadoras que marcam, por exemplo, as supernovas.

Usando experimentos e simulações numéricas realizadas em supercomputadores, a equipe conseguiu pela primeira vez demonstrar como funciona esse processo de formação da detonação em ambientes abertos - e ele é basicamente similar ao das explosões confinadas.

Os resultados ajudam a decifrar melhor a natureza das supernovas do tipo Ia, as explosões termonucleares das anãs brancas, que funcionam como uma ferramenta importante para medir vastas distâncias cósmicas.

Os resultados da teoria explicam os dados coletados das supernovas, como no caso da SN 2014J, monitorada durante vários anos.
[Imagem: NASA]

Como funciona uma explosão

As explosões podem envolver dois tipos diferentes de ondas de combustão, as deflagrações e as detonações, que viajam em diferentes velocidades e através de diferentes mecanismos.

No entanto, em explosões não confinadas, como nas supernovas e em explosões químicas, uma chama que se move a velocidade subsônica (deflagração) evolui espontaneamente para uma chama provocada por um choque supersônico (detonação), com uma produção de energia muito maior.

Embora essa transição de deflagração para detonação seja facilmente observada experimentalmente, os mecanismos por trás do fenômeno não eram claros.

Poludnenko desenvolveu então um modelo para simular numericamente e descrever a transição deflagração-detonação, e o modelo foi capaz de reproduzir com sucesso os dados gerados em experimentos de laboratório. Em seguida, a equipe usou o modelo para prever uma transição deflagração-detonação em uma supernova do tipo Ia, mostrando que os resultados da simulação são igualmente consistentes com as observações.

A equipe precisou construir um aparelho especial para gerar a turbulência necessária para disparar as explosões não confinadas.
[Imagem: Poludnenko et al. - 10.1126/science.aau7365]

Como uma explosão explode

De acordo com a teoria, se pegarmos uma mistura reativa, que queima e libera energia, e a agitar para criar uma turbulência intensa, isso pode resultar em uma instabilidade catastrófica, aumentando rapidamente a pressão no sistema, produzindo fortes choques e provocando uma detonação.

Assim, a chave para estudar qualquer tipo de explosão consiste em aplicar a quantidade certa de turbulência e misturá-la a uma chama não confinada até que ela se torne autossustentada. Nesse ponto, a chama começa a queimar a energia ingerida, levando a uma explosão tipo supernova, espalhando-se a velocidades equivalentes a Mach 5.

As aplicações da nova teoria podem incluir viagens aéreas e espaciais mais rápidas e melhorias na geração de energia, diz a equipe, incluindo reações que geram zero emissões, à medida que todos os produtos usados na combustão puderem ser convertidos em energia.

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