Orman yangınında ne olur? Doktora derecesi öğrenci öğreniyor

Orman yangını sırasında ne olur? Kısa cevap: bildiğimizden çok daha fazlası. Yangınlar ağaçları, otları ve diğer bitki örtüsünü yakarken, alevlerden kaynaklanan ısı aynı anda binlerce kimyasal reaksiyonu tetikliyor. Moleküller parçalanır, yeniden birleşir ve yeni bileşiklere dönüşerek havaya gazlar, kurum ve diğer karbon açısından zengin parçacıklar salar.

Bilim insanları bu reaksiyonların ürünlerini görebilirken, arada ne olduğunu anlamak çok daha zordur. Yanmayı tetikleyen kimyasal reaksiyonların çoğu o kadar hızlı gerçekleşir ki, gözlemlenmesi neredeyse imkansızdır.

Jas Shahanand’ın devreye girdiği yer burasıdır. Altıncı yıl doktora derecesi. CU Boulder’da Paul M. Rady Makine Mühendisliği Bölümü öğrencisi olan Shahanand, bu geçici moleküllerden bazılarını yakalayıp tanımlamanın yollarını buluyor ve araştırmacılara yanmanın gizli kimyasına daha yakından bakma olanağı sağlıyor.

Yayınlanan çalışmaya inanıyor PRX Enerjigelecekte daha doğru orman yangını emisyon modellerinin, iyileştirilmiş iklim tahminlerinin ve hatta daha temiz yakıt kaynaklarının temelini oluşturabilir.

Shahanand, “Bu kimyasal reaksiyonlar genellikle çok genelleştirilmiştir çünkü bunlar bir kara kutuda meydana gelir. Ancak aslında bu ara süreçlerde pek çok iyi bilgi saklıdır” dedi. “Amacım, yanma kimyasının gerçekte nasıl çalıştığına dair daha derin bir anlayış sağlamaya yardımcı olmak için bu süreçleri gaz bazlı bir perspektiften analiz etmektir.”

Minik kimya hırsızları

Shahanand’ın araştırmasının anahtarı radikal adı verilen küçük bir molekül türünde yatıyor.

Isı ve diğer yüksek enerjili ortamların yarattığı radikaller, yanmanın arkasındaki itici güç görevi görür. Eşlenmemiş bir elektronla birlikte gelirler, bu da onları son derece kararsız ve reaktif hale getirir.

Diğer kararlı moleküllerle reaksiyona girdiklerinde bir çift oluşturmak için bir elektron çalarlar. Bu, moleküler düzeyde hırsızlığın zincirleme reaksiyonunu başlatır; yeni radikaller moleküllere çarparak elektronları tekrar tekrar soyar.

Sonunda bu reaksiyonlar, gaz fazı kimyasının parçacık fazına ilerlediği moleküler büyümeyi kolaylaştırır. Bu, özellikle metan veya etilen gibi gazların kömür ve is haline dönüştüğü orman yangınları sırasında görülebilir.

Bu “radikal” reaksiyonları anlamak bize motorların nasıl çalıştığından yıldızlararası ve gezegensel davranışlara kadar farklı yanma biçimleri hakkında çok şey anlatabilir. Ancak Shahanand’a göre çok kısa ömürlüler.

Shahanand, “Nanosaniyelerden bahsediyoruz” dedi. “Deneyleri yürütmek ve onların bu hızda yayılmasını izlemek çok zor.”

Daha uzun ömürlü radikaller odak noktasına geliyor

Bununla mücadele etmek için Shahanand ve Profesör Hope Michelsen liderliğindeki Partikül Kimyası ve Teşhis Laboratuvarı’ndaki ekibi, belirli bir radikal türü üzerinde çalışmaya başladı: rezonansla stabilize edilmiş radikaller.

Normal radikallerin aksine, bu moleküllerdeki eşleşmemiş elektron birden fazla atoma dağılarak onların daha kararlı olmalarını ve daha uzun yaşamalarını sağlar. Bu, araştırmacılara onları tespit etme ve inceleme konusunda çok daha iyi bir şans vererek, büyük ölçüde bilinmeyen kimyasal davranışları ortaya çıkarıyor.

Shahanand, “Kimyasal yolları her zaman biliyorduk, ancak reaksiyona hangi radikallerin neden olduğunu belirlemek her zaman bilinçli tahminlere dayanıyordu” dedi. “Artık deneylerimizde bu kimyasal türleri doğrulayabiliyor ve gelecekteki testler için bunları tanımlayıp karakterize eden modeller oluşturabiliyoruz.”

Geleceğin ‘parmak izi’

Berkeley, Kaliforniya’daki Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nın Gelişmiş Işık Kaynağı’nda Shahanand ve ekibi tarafından gerçekleştirilen özel bir deneyde, bitkilerde ve ağaçlarda bulunan bir malzeme olan ligninin, piroliz adı verilen bir işlem sırasında oksijen olmadan ısıtıldığında meydana gelen kimyasal reaksiyonlar analiz edildi.

Lignin pirolizi, yenilenebilir biyoyakıta dönüştürülebilen, ikame edilmiş anizoller adı verilen aromatik bileşiklerin üretilmesiyle yaygın olarak bilinmektedir. Ancak süreç aynı zamanda kömür ve katran gibi istenmeyen yan ürünler de üretebilir.

Shahanand ve grubu, anizol moleküllerini hafifçe değiştirerek, doğal lignin pirolizi koşulları altında üretilen radikallerin miktarını büyük ölçüde artırabildiklerini keşfetti.

Bu bulgunun bir gün bilim adamlarının bu kimyasal reaksiyonları “kontrol etmelerine” yardımcı olabileceğini, istenmeyen bileşikleri sınırlandırırken yararlı bileşikleri daha iyi üretmelerine olanak sağlayabileceğini söylüyor.

Shahanand, “Eğer orman yangınlarıyla daha iyi mücadele etmek veya temiz, uygun maliyetli yakıt üretmek istiyorsak, kimya konusunda temel bir anlayışa sahip olmamız gerekiyor.” dedi. “Hangi reaksiyonların hedeflerimiz için iyi olduğunu ve hangi reaksiyonların kötü yan ürünler yarattığını bilmemiz gerekiyor. Bunu yapmak için reaksiyonun içinde gerçekte neler olduğunu bilmemiz gerekiyor; araştırmamız da burada devreye giriyor.”

Gelecekteki testler için daha kapsamlı bir harita

Ayrıca, özellikle yanmayla ilgili olduğunu tespit ettikleri bazı radikallerin tam bir “parmak izini” oluşturan ilk araştırmacılardırlar. Parmak izinin bir kişiyi tanımlayabilmesi gibi, bu sonuçlar da araştırmacıların belirli bir molekülü veya radikali tanımlamasına yardımcı olabilir.

Daha önce bilim adamlarının yalnızca spektrumun bir kısmını kapsayan bir referans eğrisi vardı. Shahanand ve ekibi boşlukları doldurarak tüm aralıkta eksiksiz bir veri seti üretti ve araştırmacılara gelecekteki deneylerde radikali tanımlamaları için daha net bir yol sağladı.

Shahanand, ileriye dönük olarak her türlü kimyasal reaksiyonu ve bunların arkasındaki radikalleri incelemeye devam etmek istediğini söylüyor. Bir sonraki çalışması, gerçek bir orman yanarken meydana gelenlere benzer kimyasalları ve koşulları inceleyecek.

Ancak araştırmasının toplumun diğer birçok yönünü de etkileme gücüne sahip olduğuna inanıyor.

Shahanand, “Belki de farklı ekosistemlerde belirli ısınma etkilerinin neden var olduğunu açıklamak istiyoruz. Veya kimyanın uzayda veya farklı atmosfere sahip diğer gezegenlerde yanmayı nasıl kolaylaştırdığını anlamak istiyoruz” dedi. “Her ne ise, hepsi bu temel fikirlere geri dönüyor.”