Jaren van voorbereiding, en de finale is over zes minuten voorbij. Deze maand zal een sondeerraket twee ESA-experimenten lanceren naar een hoogte van 260 km om zes minuten gewichtloosheid te bieden terwijl ze in vrije val terug naar de aarde vallen.

Raketten die satellieten in een baan om de aarde brengen, worden meestal gelanceerd vanaf locaties rond de evenaar, zoals de Europese ruimtehaven in Kourou, Frans Guyana. Er zijn alternatieven voor experimenten in microzwaartekracht en ESA voert Maser-campagnes uit vanuit het Esrange Space Center in Zweden, 400 kg aan wetenschappelijke apparatuur de lucht in schieten.

De campagne van dit jaar zal onderzoek organiseren naar de fijnere details van metaalgieten en hoe vloeistoffen verdampen.

Verdampende nanovloeistoffen

Temperatuurregeling is een constante zorg voor ingenieurs op aarde, maar nog meer in de ruimte waar de extreme omgeving innovatieve oplossingen vereist om apparatuur en astronauten op de juiste temperatuur te houden.

Het ARLES-experiment (Advanced Research on Liquid Evaporation in Space) onderzoekt hoe vloeistoffen verdampen in microzwaartekracht. Het onderzoek richt zich op het begrijpen hoe vloeistoffen het beste kunnen worden gebruikt om warmte over te dragen en zou kunnen helpen bij het verbeteren van thermische regelsystemen in de ruimte.

Het experiment zal herhaaldelijk druppeltjes van minder dan 10 microliter in microzwaartekracht verdampen onder verschillende omstandigheden - inclusief het toevoegen van een elektrisch veld aan de mix - om te zien hoe ze zich gedragen. Infraroodvideo en interferometers leggen het proces vast dat onderzoekers over de hele wereld kunnen analyseren.

Eén vloeistof bevat grafeennanodeeltjes, een materiaal dat van bijzonder belang is bij de wetenschappelijke gemeenschap. Het experiment zal ook het begrip vergroten van hoe nanodeeltjes in de vloeistof oppervlakken bekleden als de vloeistof verdampt.

Daniele Mangini, ESA's wetenschappelijke coördinator voor het experiment zegt:"Deze techniek zou een nieuwe manier kunnen zijn om slimme coatings te maken, membranen en sensoren en creëren zelfs complexe nanostructuren. Nanodeeltjes zijn moeilijk te testen in de gesloten omgeving op het internationale ruimtestation, dus een klinkende raketcampagne is ideaal voor dit experiment.

"Gewichtloosheid is noodzakelijk voor deze analyse. Op aarde, de zwaartekracht zorgt ervoor dat de afzettingen ongelijk verdeeld worden, wat vaak nadelig is voor toepassingen. Het is moeilijker om de onderliggende verschijnselen te onderzoeken omdat veel effecten, zoals sedimentatie, thermocapillariteit en natuurlijke convectie maken het moeilijk om ons te concentreren op wat we willen onderzoeken.

"De zes spannende minuten in microzwaartekracht zullen het wetenschappelijke team in staat stellen de processen te ontrafelen, helpen om karakteristieke handtekeningen te begrijpen tijdens depositie en zelfassemblage van nanodeeltjes."

Groeiende metaalkristallen

In het tweede ESA-experiment, deeltjes zullen ook worden toegevoegd aan een gesmolten metaallegering om de resulterende eigenschappen te verbeteren. Het XRMON-experiment is een terugkerende flyer over klinkende raketten en onderzoekt hoe metaallegeringen worden gevormd, zoeken om de materialen die we in ons dagelijks leven gebruiken te verbeteren.

Tijdens deze 14e Maser-campagne wordt een 0,2 mm dun stuk aluminium-koperlegering gesmolten en vervolgens gewichtloos gestold. Een röntgenstraal zal het metaalmonster verlichten en een camera zal het opnemen, vergelijkbaar met een medische radiografie.

"We leren hoe metalen stollen aan studenten op de universiteit, en hierdoor kunnen we het echt zien gebeuren, in gewichtloosheid", zegt ESA's wetenschapscoördinator voor dit experiment Wim Sillekens.

Onderzoekers zijn geïnteresseerd in hoe microstructuren worden gevormd als het metaal stolt.

"Op aarde, de kristallen in deze legering zullen in de vloeistof stijgen terwijl ze zich vormen - een beetje zoals hoe waterijskristallen ijsblokjes worden en naar de top van je drankje stijgen, " vervolgt Wim, "in gewichtloosheid is er geen drijfvermogen - in de ruimte zou een ijsblokje in je drankje blijven hangen - waardoor we het kristalvormingsproces gemakkelijker kunnen onderzoeken."

Het XRMON-experiment liep in 2012 op de Maser 12-campagne en vervolgens over de Maser 13-campagne in 2015, maar met verschillende parameters waardoor onderzoekers gegevens en de gegoten legering kunnen vergelijken om technieken verder te verbeteren.

Met beide voeten op de grond

De Maser-raket heeft slechts 45 seconden nodig om de atmosfeer te verlaten en landt in minder dan 15 minuten terug op aarde. Parachutes worden ingezet om de impact van een landing te verminderen tot 30 km/u in de wildernis van Zweden.

Antonio Verga, ESA's hoofd van niet-ruimtestation payloads en platforms, zegt:"Helikopters zullen de experimenten terugsturen naar Esrange en het hele proces zal in twee uur voltooid zijn, maar de unieke resultaten geven doorgaans vele jaren aan gegevens om te verwerken en te analyseren!"

De vluchten maken deel uit van ESA's SciSpace-programma waarmee onderzoekers experimenten kunnen uitvoeren in veranderde zwaartekracht - van hyperzwaartekracht tot het internationale ruimtestation - om ons heelal te onderzoeken en de technologie die we in de ruimte en in het dagelijks leven gebruiken, te verbeteren. In oktober van dit jaar zal er weer een klinkende raketcampagne worden gehouden.

Een ander platform voor microzwaartekrachtexperimenten is het Space Rider-laboratorium. Om te worden gelanceerd op een Vega-C-raket, het hightech ruimtelaboratorium kan tot 800 kg aan lading vervoeren in het milieuvriendelijke vrachtruim dat minimaal twee maanden in een lage baan om de aarde zal draaien voordat het zijn lading naar de aarde terugstuurt.

Als klinkende raketten, Space Rider zal een reeks experimenten in microzwaartekracht mogelijk maken en mogelijkheden bieden voor educatieve missies, vanaf 2022.