Een recept om atomaire structuren te begrijpen:

• Meng elektrisch geladen gas in een afgesloten container met deeltjes die zo klein zijn dat ze door een koffiefilter zouden gaan.
• Presteer in de gewichtloze omgeving van het internationale ruimtestation.
• Pas de spanning aan om te zien hoe de deeltjes driedimensionale kristalstructuren vormen.
• Begin met het ontsluiten van de fysica achter het gedrag van de atomen.

Dit maakt deel uit van de formule voor Plasma Kristall, de langstlopende reeks experimenten in de geschiedenis van de menselijke ruimtevlucht en de resultaten van de nieuwste campagne keren volgende week terug naar de aarde in het Sojoez-ruimtevaartuig met ESA-astronaut Alexander Gerst.

Het recept komt uit een Europees-Russische samenwerking die al sinds 1998 slowcooking is. Na parabolische vluchten te hebben gemaakt, klinkende raketten en het Mir-ruimtestation, het experiment vond in 2001 een nieuw thuis in het internationale ruimtestation.

Onze wereld is gemaakt van atomen en moleculen, maar zelfs met de krachtigste microscoop kunnen we ze niet zien bewegen in vloeistoffen of vaste stoffen. Door experimenten in gewichtloosheid uit te voeren, krijgen onderzoekers nieuwe inzichten in de interactie van de atomen door kleine plastic deeltjes te gebruiken die zich als atomen gedragen.

"Dit onderzoek op aarde doen is niet mogelijk - Plasma Kristall modelleert atomaire interacties op grotere schaal, hun beweging voor ons zichtbaar maken, " legt Hubertus Thomas uit, hoofdwetenschapper van dit experiment bij het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum, DLR.

Hubertus heeft plasma-onderzoek in microzwaartekracht gevolgd toen de eerste bemanning bij het ruimtestation aankwam en het aanzette. Onlangs, een probleem met de klep die de gasstroom regelt, dwong een pauze van 18 maanden. Met een onlangs gerenoveerde klep, Plasma Kristall-4 (of PK-4) hervatte de operaties vorige maand.

Proxy-atomen terug naar de wetenschap

Een plasma is een elektrisch geladen gas, een beetje zoals bliksem, dat komt zelden voor op aarde. Het wordt beschouwd als de vierde toestand van de materie, onderscheiden van gas, vloeistoffen en vaste stoffen.

"We exciteren de deeltjes met behulp van elektrische velden, een laser en veranderingen in temperatuur om ze in het plasma te verplaatsen, ’ zegt Hubertus.

Deze manipulaties zorgen ervoor dat de proxy-atomen sterk interageren, leidend tot georganiseerde structuren - plasmakristallen. De deeltjes in PK-4 zijn gemaakt van plastic en hechten aan elkaar of stoten elkaar af, net zoals atomen dat op aarde doen in een vloeistof.

"Door de spanning over de experimentkamer aan te passen, kunnen we hun interacties aanpassen, en observeer elk microdeeltje afzonderlijk en als in slow motion, " legt Hubertus uit. Met behulp van PK-4, onderzoekers over de hele wereld kunnen volgen hoe een object smelt, hoe golven zich in vloeistoffen verspreiden en hoe stromingen op atomair niveau veranderen.

De nieuwste wetenschappelijke run had betrekking op faseovergangen, microscopische bewegingen en schuifkrachten. Schuifkrachten zijn een zeer actueel onderwerp in de fundamentele fysica. Deze krachten duwen een deel van een lichaam in een bepaalde richting, en een ander deel in de tegenovergestelde richting, zoals bijvoorbeeld de luchtdruk langs de voorkant van een vliegtuigvleugel.

De toekomst van plasma

Dit onderzoek is vooral leerboekkennis voor toekomstige wetenschappers en ingenieurs. "Als je Einstein had gevraagd waar zijn relativiteitstheorie voor was, hij zou nooit hebben geantwoord dat het was om een ​​navigatiesysteem voor je mobiele telefoon te bouwen, ’, merkt Hubertus op.

Een team van wetenschappers heeft al gebruik gemaakt van de knowhow die is opgedaan met de technologische ontwikkeling van dit ruimte-experiment om plasma-apparaten te ontwerpen voor de desinfectie van wonden bij kamertemperatuur. Deze revolutie in de zorg kent vele praktische toepassingen, van voedselhygiëne tot behandeling van verschillende soorten huidziekten, zuivering van water en geurbeheersing.