Fake πλαστικά άτομα συμβάλλουν στη μελέτη και κατανόηση φυσικών διεργασιών ανοίγοντας δρόμο για σημαντικές εφαρμογές

Ο κόσμος μας οικοδομείται από άτομα και μόρια, όμως ακόμη και με τα πιο ισχυρά μικροσκόπια μπορούμε να δούμε μόνο στιγμιότυπα, ποτέ πώς κινούνται και πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Για να μοντελοποιήσουν πώς συμπεριφέρονται τα άτομα, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει πλαστικά σωματίδια σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας και η τελευταία παρτίδα συμπερασμάτων επιστρέφουν στη Γη με τον αστροναύτη της ESA, Alexander Gerst, με ένα διαστημικό όχημα Soyuz την Πέμπτη.

Τα πειράματα Plasma Kristall «αργομαγειρεύονται» από το 1998 με χρήση της ίδιας μεθόδου: ανακάτεμα ηλεκτρικά φορτισμένου αερίου σε κλειστό δοχείο με σωματίδια τόσο μικρά που θα μπορούσαν να περάσουν μέσα από φίλτρο καφέ. Διεξαγωγή του πειράματος σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητος για να κρατηθούν τα σωματίδια αιωρούμενα. Εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος σε πλήρες πλάσματος σωλήνα-λυχνία για να κάνει τα σωματίδια να συμπεριφερθούν σαν άτομα και να διαμορφώσουν τρισδιάστατες κρυσταλλικές δομές.

Αυτή η «συνταγή» προέρχεται από μια Ευρωπαϊκο-Ρωσική συνεργασία που άρχισε να τρέχει τα πειράματα σε παραβολικές τροχιές, στη συνέχεια επιχείρησε παραπέρα στο διάστημα σε ρουκέτες που ακολουθήθηκαν από πειράματα στο διαστημικό σταθμό Mir, τα οποία συνεχίζονται στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό από το 2001. «Κάνοντας αυτή την έρευνα στη Γη δεν είναι δυνατές οι ατομικές αλληλεπιδράσεις των μοντέλων Plasma Kristall σε ευρεία κλίμακα, καθιστώντας την κίνησή τους αόρατη σε μας», εξηγεί ο Hubertus Thomas, επικεφαλής επιστήμονας του πειράματος στο Γερμανικό Κέντρο Αεροδιαστήματος, DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.).

Πρόσφατα, ένα πρόβλημα με τη βαλβίδα που ρυθμίζει τη ροή του αερίου προκάλεσε μια παύση 18 μηνών στο πείραμα. Η βαλβίδα αντικαταστάθηκε γεγονός που επέτρεψε το Plasma Kristall-4 (ή PK-4) να συνεχίσει τις λειτουργίες.

Το πλάσμα είναι ένα ηλεκτρικά φορτισμένο αέριο, κάπως σαν αστραπή, που σπάνια συμβαίνει στη Γη. Θεωρήθηκε ότι είναι η τέταρτη κατάσταση της ύλης, διακριτή από αέρια, υγρά και στερεά. Το πλάσμα για το πείραμα PK-4 δημιουργείται με αέριο νέον ή αργό σε σωλήνες που καθιστούν τα σωματίδια ηλεκτρικά φορτισμένα. Η πέμπτη διεξαγωγή του PK-4 έχει ήδη αρχίσει διεγείροντας τα σωματίδια με ηλεκτρικά πεδία, λέιζερ και αλλαγές στη θερμοκρασία για να τα κάνουν να κινηθούν μέσα στο πλάσμα. Αυτή η διαχείριση οδηγεί τα υποκατάστατα των ατόμων να αλληλεπιδρούν ισχυρά, οδηγώντας στην οργάνωση δομών κρυστάλλων πλάσματος. Τα πλαστικά σωματίδια στο PK-4 συνδέονται ή απωθούνται μεταξύ τους ακριβώς όπως κάνουν τα άτομα στη Γη στην κατάσταση ρευστού.

Με ρύθμιση της διαφοράς δυναμικού στο θάλαμο του πειράματος μπορούν να προσαρμόζονται οι αλληλεπιδράσεις και να παρακολουθείται κάθε σωματίδιο σαν σε αργή κίνηση. Χρησιμοποιώντας το PK-4, οι ερευνητές σε όλο τον κόσμο μπορούν να παρακολουθούν πώς ένα αντικείμενο τήκεται, πώς απλώνονται τα κύματα στα ρευστά και πώς τα ρεύματα αλλάζουν στο ατομικό επίπεδο. Τα τελευταία δεδομένα που επιστρέφουν στη Γη με τον Alexander Gerst καλύπτουν φάσεις μετάβασης, μικροσκοπικές κινήσεις και διατμητικές δυνάμεις. Οι τελευταίες αποτελούν μια καυτή περιοχή της θεμελιώδους φυσικής καθώς ορίζουν την πίεση του αέρα κατά μήκος ενός φτερού αεροσκάφους, για παράδειγμα.

Η έρευνα αυτή προσφέρει θεωρητική γνώση για μελλοντικούς επιστήμονες και μηχανικούς και οι συνέπειές της θα είναι εμφανείς στις μελλοντικές γενιές. Στο μεταξύ μια ομάδα επιστημόνων έχει ήδη χρησιμοποιήσει την τεχνογνωσία που κερδήθηκε από την ανάπτυξη του πειράματος, για να κατασκευάσει συσκευές πλάσματος που απολυμαίνουν πληγές σε θερμοκρασία δωματίου. Η επανάσταση αυτή στην υγειονομική φροντίδα έχει πολλές πρακτικές εφαρμογές, από την υγιεινή των τροφίμων μέχρι τη θεραπείας ασθενών του δέρματος, τον καθαρισμό του νερού και ακόμη την εξουδετέρωση άσχημων οσμών.