Uno dei laboratori di fisica più frequentemente utilizzati sulla Stazione Spaziale Internazionale ha recentemente completato la sua serie finale di esperimenti. Il laboratorio Plasma Kristall Experiment (PK-3 Plus), una cooperazione russo-tedesca in funzione dal gennaio 2006, ha fornito nuove informazioni su un tipo insolito di materia denominata cristalli di plasma. Anche se l'esperimento si è concluso il 14 giugno, la ricerca continua ad aprire un entusiasmante mondo di potenziali spin-off tecnologici in medicina, agricoltura e scienze generali.
L'ambiente unico della microgravità consente ai fisici di studiare come questi cristalli si formano all'interno di plasmi polverosi - un tipo di materia con proprietà uniche che si trovano ovunque - in modi non possibili sulla Terra.
I plasmi sono uno dei quattro stati della materia, insieme a liquido, solido e gas. I plasmi complessi o "polverosi" prendono il loro nome dalla presenza di piccole particelle solide mescolate nei gas carichi del plasma. Queste particelle possono cambiare radicalmente il comportamento di un plasma e talvolta le particelle formano anche strutture cristalline. I plasmi polverosi si trovano vicino a satelliti artificiali, si verificano nell'atmosfera superiore della Terra, nelle nubi interstellari e possono essere prodotti in contesti di laboratorio.
I plasmi polverosi sono preferiti dai ricercatori di fisica perché sono relativamente facili da controllare e forniscono una visione unica della fisica a livello di singola particella. Questa forma di materia può illuminare la teoria cinetica di base, compreso il modo in cui i colloidi si mescolano, come si muovono liquidi e solidi e come si propagano le onde. Ma in molti casi sono difficili da studiare in forma pura perché la gravità della Terra influisce sul modo in cui le particelle di polvere si depositano e su come si cristallizzano. Non è il caso a bordo della stazione spaziale, comunque.
L'indagine PK-3 Plus è stata ideata per creare polverosi plasmi contenenti argon o gas neon e piccole particelle di dimensioni micron. Un dispositivo di scarica a radiofrequenza ionizza le molecole di gas in modo da formare un plasma e le particelle vengono iniettate in esso. Un laser li illumina e una telecamera registra ciò che accade mentre le particelle si muovono attraverso il plasma e si organizzano in strutture cristalline. Gli esperimenti di base sono progettati per testare una vasta gamma di dimensioni delle particelle e diversi tipi di gas, ei ricercatori hanno trovato una miriade di nuovi fenomeni interessanti.
Come i ricercatori hanno trovato attraverso una vasta gamma di altre indagini sulla stazione spaziale, compreso lo studio della fisica del plasma polveroso, il trasferimento esatto dalla ricerca di base alle applicazioni sulla Terra è imprevedibile e spesso funziona in modi inaspettati. Ciò dimostra l'importanza del finanziamento della ricerca di base senza imporre restrizioni orientate all'applicazione.
I risultati di PK-3 Plus potrebbero essere utilizzati in agricoltura, medicina e igiene, secondo il Prof. Gregor E. Morfill, direttore dell'Istituto Max Planck di fisica extraterrestre a Garching, in Germania, dove è stato costruito l'apparato sperimentale. Poiché è uno stato gassoso, il plasma può disinfettare le superfici in modo rapido ed efficiente, neutralizzando anche batteri resistenti ai farmaci come MRSA in pochi secondi. Negli studi clinici (oltre 3.500 applicazioni) è stato dimostrato che il plasma aiuta a disinfettare le ferite croniche e accelera la guarigione delle ferite.Altri studi hanno dimostrato che, di concerto con la chemioterapia, combatte efficacemente il cancro, aumentando l'inattivazione delle cellule tumorali fino al 500% rispetto alla sola chemioterapia. Il plasma può anche far ripartire la crescita delle piante.
"Nel mio caso, le sfide tecniche della ricerca spaziale sono state le prime e hanno fornito il know-how per lo spin-off medico. In altre parole, senza la ricerca [stazione spaziale] non ci sarebbe stato alcun coinvolgimento nella medicina del plasma da parte mia, "disse Morfill.
Anche la ricerca ha benefici per la scienza di base. In un esempio, i ricercatori hanno utilizzato la fotocamera ad alta risoluzione PK-3 Plus per esaminare il punto esatto in cui la materia cambia fase da liquido a solido. Altri esperimenti hanno provato come le onde a radiofrequenza causano il movimento di particelle in un plasma polveroso. Gli scienziati hanno visto particelle nella parte superiore del plasma che ruotano in senso orario, mentre le particelle sul fondo del plasma ruotavano in senso antiorario.
Ancora un altro studio ha misurato la velocità del suono attraverso un plasma polveroso e ha rilevato che era di circa 28 millimetri al secondo, molto più lento della velocità del suono nell'aria (circa 340 metri al secondo). Misurare la velocità del suono attraverso qualsiasi mezzo, come acqua, aria o un plasma complesso, aiuta gli scienziati a comprendere la natura del mezzo in modo più dettagliato.
La velocità del risultato sonora è avvenuta per caso, secondo il Dr. Hubertus Thomas, uno scienziato del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics e ricercatore principale del PK-3 Plus.
"Una singola grande particella è stata accelerata (e non sappiamo come!) In un'enorme nube di particelle" piccole ", spostate attraverso la nuvola come un proiettile e formate un cono Mach dietro la particella", ha detto Thomas. "I coni di Mach sono stati osservati già in condizioni di gravità in cristalli di plasma 2-D, ma questa è stata la prima osservazione in una struttura 3D e sotto la microgravità.Per fortuna, la particella stava decelerando durante il suo percorso, il che ci ha permesso di calcolare il suono velocità nel nostro complesso plasma. "
Astronauti e cosmonauti hanno azionato l'attrezzatura PK-3 Plus durante 20 missioni separate, ciascuna della durata di circa cinque giorni. Gli scienziati sul campo hanno ottenuto risultati di test quasi in tempo reale, mentre il video è stato disconnessi dalla stazione durante le esecuzioni sperimentali. Il laboratorio conteneva anche quattro dischi rigidi per la memorizzazione dei video, che sono stati scambiati quando sono pieni e sono tornati sulla Terra con le rotazioni dell'equipaggio della stazione. L'attrezzatura PK-3 Plus è stata progettata da ricercatori tedeschi e consegnata a bordo di una navetta spaziale russa Progress.
Tutto sommato, i collaboratori dell'inchiesta PK-3 Plus e del suo predecessore, PKE-Nefedov, che è stato nominato per lo scienziato capo del progetto russo scomparso, hanno pubblicato più di 70 articoli scientifici e hanno tenuto almeno 100 presentazioni a conferenze scientifiche.
"Ora che abbiamo più di sette anni [di ricerca], credo che sia il momento di iniziare una nuova era di complesse ricerche sul plasma con il nostro prossimo laboratorio, PK-4, che dovrebbe essere lanciato nell'ottobre del prossimo anno," Thomas disse. "Le risorse (microparticelle e gas) si stanno esaurendo, la camera del plasma si sta facendo sempre più sporca e l'hardware e il software del computer producono alcuni problemi che finora abbiamo potuto risolvere. Il laboratorio è solo degradante, quindi dobbiamo permetterglielo / lei a ritirarsi. "
Oltre a illuminare la natura della materia, i plasmi polverosi hanno applicazioni pratiche nello spazio, sulla Terra e persino su altri pianeti. Nella lavorazione del plasma, ad esempio, la rimozione di particelle microscopiche cresciute nel plasma di elaborazione reattiva è fondamentale per prevenire la contaminazione dei chip del computer. Una profonda comprensione di come i gas e i plasmi polverosi interagiscono è fondamentale per migliorare la tecnologia del plasma. Comprendere questa interazione potrebbe anche aiutare gli scienziati a creare polveri contenenti ingredienti specifici.
"Nuovi orizzonti sono prodotti dalla ricerca [della medicina al plasma] praticamente su base mensile", ha detto Morfill."Esattamente quale dei campi sarà commercializzato per primo è difficile da dire in questa fase iniziale. Tutte le applicazioni (e quelle nuove non ancora scoperte) hanno un potenziale enorme e riguardano i principali problemi a livello mondiale".
