촛불이 둥근 공처럼…우주에서 달라지는 건 ‘공기의 흐름’

촛불을 그리라고 하면 아래는 둥글고 위는 뾰족한 모양을 떠올리기 쉽다. 그런데 우주정거장의 미세중력 환경에서는 불꽃이 둥근 공처럼 보일 수 있다. 불에 위쪽으로 향하는 모양이 원래부터 정해져 있는 것이 아니라, 불꽃을 둘러싼 공기의 움직임이 그 형태에 관여하기 때문이다.

뜨거운 공기가 올라가는 지구의 불꽃

NASA는 지구에서 밀도가 낮아진 따뜻한 공기가 위로 올라가고 아래의 더 차가운 공기가 그 자리를 채운다고 설명한다. 이런 순환이 익숙한 촛불 모양을 만든다. 미세중력에서는 같은 부력 대류가 일어나지 않아 불꽃이 구형으로 형성될 수 있다. 우주에서 모든 연료와 공기 조건의 불꽃이 똑같아진다는 뜻은 아니다.

대표 사진은 우주정거장의 고체연료 실험 SoFIE-GEL에서 약3초 간격으로 찍은 불꽃 배열이다. 주변 압력을 줄이자 노란색 불꽃이 더 푸르게 변하고 작아지다가 꺼지는 과정이다. 오늘 촛불을 새로 태운 현장 사진도, 아래의 FLEX 냉염 실험을 찍은 사진도 아니다.

불꽃이 안 보여도 연소가 남는 별개 실험

NASA가2013년 공개한 FLEX 자료는 또 다른 반전을 설명한다. 통제된 연소실에서 연료 방울의 눈에 보이는 화염을 껐는데, 특정 조건에서 남은 연료가 계속 타는 현상을 관찰했다. 연구진은 이를 cool flame으로 부른다. 모든 불이 꺼진 뒤 반드시 같은 일이 생긴다는 일반 법칙이 아니라, 실험에서 확인한 특정 연소 상태다.

그 자료의 cool flame 온도는 화씨400–1,000도, 섭씨로 약200–540도다. 일반 화염보다 낮다는 비교 표현이지 일상의 차가운 물체를 뜻하지 않는다. 따라서 ‘차가운 불’이라는 이름만 듣고 손으로 만질 수 있다고 읽으면 잘못이다. 불꽃의 모양, 눈에 보이는 빛, 연소가 이어지는지와 실제 온도는 나눠 살펴야 한다.

이 실험들은 공기 없는 바깥 진공에서 평범한 촛불이 저절로 타는 모습을 보여준 것이 아니다. NASA는 연료·산화제와 환경을 관리하는 우주정거장 설비 안에서 작은 불꽃을 연구한다. 오래된 과학 자료를 바탕으로 모양과 원리를 설명하는 기사이며, 최신 실험 성과나 미래 임무의 성공을 미리 확정하는 보도는 아니다.