滅火新利器電魔杖

2011年度大發明

最近，美國時代雜志遴選了2011年度的50項大發明，滅火電魔杖被選為第27項。雖然聽起來挺新鮮，其實用電滅火這一現象在科學界早已為人知曉。早在200年前，就有科學家嘗試將蠟燭挪近導電體，使燭焰彎曲、扭轉、轉彎、閃爍甚至熄滅，并以此為樂。此后，人們便認識到，電場之所以能影響火勢，是因為它能夠直接作用于富含帶電粒子的火焰內部。那么，帶電粒子又是從何而來?它們的出現與火焰內部的空氣震蕩有關。在高溫下，火焰里的氧分子、氫分子、水蒸氣和燃燒產生的炭黑微粒劇烈運動，相互碰撞。在碰撞時，由炭黑微?；驓怏w分子所攜帶的某些電子會附著在原子上并相互交換，從而產生一些帶電的炭黑微粒和離子，即帶電粒子。電極產生的電場正是作用于這些帶電粒子。失去可燃物，火便自動熄滅了。電魔杖的滅火原理，其實就是產生可以移動的電場，用來驅動火焰中的電離子，這是滅火的關鍵。

解決問題的核心，就在于控制這一運動…不妨想象下，你在向插滿蠟燭的生日蛋糕吹氣時，怎樣才能以最快速度吹滅盡可能多的蠟燭?需用多大的力氣吹?朝哪個方向吹?這個問題并不簡單。目前，美國哈佛大學的科學家們正在研究，他們希望借助一種和金屬電極同樣簡單實用的裝置，使火焰離開燃料，從而自動熄滅。怎樣才能滅火?

通常，燃料的能量是以化學能的形式貯存在燃料中，燃料需要被加熱氣化，氣相的燃料繼續被加熱到燃燒溫度，才可能持續釋放能量，維持反應的進行?；鹧娴姆磻獏^很細，通常是毫米，甚至是微米水平的，我們所看到的火焰，其實是燃燒產物煙黑蝠射的結果，并不是真正的反應區。真正的反應區非常薄，非常高溫，才可以維持燃燒反應的正常進行。多少溫度才可以維持燃燒?點火的擴散火焰，需要1300C，才能被點燃。而滅火時的預混火焰，我們需要把火焰溫度降低到1500cc左右，才能保證滅火的效果。

有兩種主要的滅火方式：一種是從源頭停止燃料的供給，如用水滅火，降低燃料的表面溫度，停止吸熱揮發的熱解過程，大約80％的滅火方式是基于水的冷卻滅火原理。目前，消防隊員使用水、泡沫和粉末等物質來撲滅火焰，就是這一道理。還有一種方式就是對火焰結構作文章，所謂的氣相滅火方式，只有20％的市場份額，可也是最有利可圖的市場份額。原因在于，氣相滅火方式沒有污染，不需要后處理，減少因水帶來的危害以及由滅火劑引起環境影響。因此，一旦火被撲滅可以立即恢復生產，避免常規滅火方式帶來的停產損失。原理相當簡單

電魔杖是如何工作的呢?我們知道，1個原子包含1個帶正電荷的原子核和若干帶負電荷的電子，因而原子整體呈電中性。但在化學反應中，原子經常會因得到或失去1個甚至多個電子而帶上電荷，這種帶電粒子被稱為離子。電場使火焰中大量的帶電粒子加速移動：哈佛大學的專家們認為，每立方厘米的火焰中這些帶電粒子數量可達1000億個!在移動過程中，這些帶電粒子與中性粒子(火焰內部的中性粒子與空氣中的一樣)發生碰撞，并使之電離。由離子流動所帶動的空氣流動，被稱作“電風”或“離子風”。

消防員使用的滅火電魔杖其實是一個金屬電極，它與高壓電池組的端子相連，攜帶著高電勢。此電勢與地面電勢間的顯著差異導致一個強電場的形成。具體的操作過程并不復雜：金屬電極接到高電壓電源唯一的端子上，并在電魔杖末端形成高電勢。該電勢與地面電勢間存在顯著差異，從而形成一個電場。電場使附近所有帶電粒子活動起來。由于火焰內部充滿帶電粒子，因此電極產生的電場會使火焰內部的帶電粒子向某個方向移動，從而生成所謂的“電風”。“電風”立即將火“吹”離助燃物(木頭、煤氣等)，將火焰與燃料分離，沒有了燃料，烈火難以為繼，因此它就熄滅了。

你或許要問，傳統的消防水帶不是可以滅火嗎?其效力有目共睹…既然如此，科學家為何還要絞盡腦汁研制新型滅火器呢?這是因為，水帶或泡沫滅火器的使用會造成巨大破壞。以圖書館火災為例：為避免整幢大樓付之一炬，消防員必須噴射大量的水，而這些水會對館藏書籍造成難以彌補的損失。但如果使用電滅火器的話，或許能很快控制火情，又能避免大量物品受潮。此外，電滅火裝置甚至可以像室內自動噴水滅火系統(隱藏在吊頂中的水龍頭在“聞”到煙味后會自動灑水)一樣被安裝進建筑物內部，從而將火苗扼殺在搖籃里。不過，在消防員化身手持魔杖的“哈利·波特”前，我們還得等上至少10年。不過這樣的等待非常值得，畢竟哈佛大學發明的滅火電魔杖將會徹底顛覆人類已經沿用了千年的滅火方法。科學家現在通過改變電魔杖中電極的形狀、電流強度、頻率、電壓等來擴大滅火的距離及范圍。為了人人可以隨身攜帶，相信未來的滅火電魔杖會更加小巧、便捷。