Una ricetta per capire le strutture atomiche:
- Mescolare il gas caricato elettricamente in un contenitore sigillato con particelle così piccole da passare attraverso un filtro per caffè.
- Eseguire nell’ambiente senza peso della Stazione Spaziale Internazionale.
- Regolare la tensione per osservare come le particelle formano strutture cristalline tridimensionali.
- Iniziare a sbloccare la fisica che sta dietro il comportamento degli atomi.
Questi passaggi fanno parte della formula per il Plasma Kristall, la più lunga serie di esperimenti nella storia del volo spaziale umano.
La ricetta proviene da una collaborazione tra Europa e Russia che ha iniziato a cucinare lentamente dal 1998. Dopo essere stata eseguita sui voli parabolici, sui missili e sulla stazione spaziale Mir, l’esperimento ha trovato una nuova casa presso la Stazione Spaziale Internazionale nel 2001.
Giocare con gli atomi, nello spazio
Il nostro mondo è fatto di atomi e molecole, ma anche con il microscopio più potente non possiamo vederli muoversi in liquidi o solidi. L’esecuzione di esperimenti in assenza di gravità consente ai ricercatori di acquisire nuove conoscenze sull’interazione degli atomi utilizzando particelle di plastica minuscole che si comportano come atomi.
“Fare questa ricerca sulla Terra non è possibile – Plasma Kristall modella le interazioni atomiche su una scala più ampia, rendendoci visibile il loro movimento”, spiega Hubertus Thomas, scienziato capo di questo esperimento presso il German Aerospace Center, DLR.
Hubertus ha seguito la ricerca al plasma in microgravità, quando il primo equipaggio arrivò alla Stazione Spaziale e lo accese. Recentemente, un problema con la valvola che regola il flusso di gas ha forzato una pausa di 18 mesi. Con una valvola appena rinnovata, il Plasma Kristall-4 (o PK-4) ha ripreso le operazioni il mese scorso.
Il plasma
Un plasma è un gas elettricamente carico, un po’ come un fulmine, che raramente si verifica sulla Terra. È considerato il quarto stato della materia, distinto da gas, liquidi e solidi.
“Noi eccitiamo le particelle usando campi elettrici, un laser e cambiamenti di temperatura per spostarli nel plasma”, afferma Hubertus.
Queste manipolazioni fanno sì che gli atomi proxy interagiscano fortemente, portando a strutture organizzate – i cristalli di plasma. Le particelle in PK-4 sono fatte di plastica e si legano l’una all’altra o si respingono a vicenda esattamente come gli atomi in un fluido sulla Terra.
“Regolando la tensione attraverso la camera sperimentale possiamo adattare le loro interazioni e osservare ogni microparticella individualmente e come se fosse al rallentatore”, spiega Hubertus.
Utilizzando PK-4, i ricercatori di tutto il mondo possono seguire come un oggetto si scioglie, come le onde si diffondono nei fluidi e come le correnti cambiano a livello atomico.
Le forze di taglio
L’ultimo impegno scientifico ha riguardato le transizioni di fase, i movimenti microscopici e le forze di taglio. Le forze di taglio sono un argomento di grande attualità nella fisica fondamentale. Queste forze spingono una parte di un corpo in una direzione specifica, e un’altra parte nella direzione opposta, come ad esempio la pressione dell’aria lungo la parte anteriore di un’ala di un aeroplano.
Questa ricerca è principalmente una conoscenza da manuale per i futuri scienziati e ingegneri. “Se avessi chiesto a Einstein quale fosse l’utilità della sua teoria della relatività, non avrebbe mai risposto che era per costruire un sistema di navigazione per il tuo cellulare”, sottolinea Hubertus.
Un team di scienziati ha già fatto uso del know-how acquisito dallo sviluppo tecnologico di questo esperimento spaziale per progettare dispositivi al plasma per la disinfezione delle ferite a temperatura ambiente. Questa rivoluzione nel settore sanitario ha molte applicazioni pratiche, dall’igiene alimentare al trattamento di diversi tipi di malattie della pelle, fino alla purificazione dell’acqua e alla gestione degli odori.
