Exclusiv Românii care au făcut 2 ani de cercetare pentru 22 de secunde cu 2 picături de apă în imponderabilitate în avionul Angelei Merkel

Doi ani de cercetare pentru 22 de secunde de filmare cu două picături de apă care se ciocnesc în imponderabilitate. Așa ar suna super-simplist și pe repede-înainte viața unor cercetători români care au ajuns să deruleze o serie de experimente în microgravitație, cu ajutorul Agenției Spațiale Europene (ESA). Experimentele desfășurate în Franța sunt o treaptă intermediară pentru alte experimente care, dacă lucrurile merg bine, vor fi făcute pe Stația Spațială Internațională. După încheierea testelor, cercetătorul Mihai Boni, de la Institutul Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației (INFLPR) de la Măgurele, a explicat în ce a constat munca de cercetare și cât efort a fost investit într-un experiment care durează câteva secunde. Aventura lui a fost un roller coaster pe care l-a parcurs cu un avion care i-a aparținut fostului cancelar german Angela Merkel, în care s-au creat condițiile de imponderabilitate din spațiu. Cât despre cercetarea lor, poate avea aplicații în medicină, în industria aerospațială, dar și în viitoarele călătorii spațiale.

Ca să fii un bun cercetător, nu e de ajuns să știi multă carte, trebuie să ai idei, spune Mihai Boni. Iar în cercetare „ai nevoie de idei bune, să te gândești la lucruri la care alții nu s-au mai gândit înaintea ta”.

O astfel de idee, oricât de ciudat ar suna, este să cercetezi cum se comportă două picături de apă care se ciocnesc în spațiu (adică în lipsa gravitației)? Întrebarea sună ciudat pentru că de ce ar interesa pe cineva cum se ciocnesc două picături în spațiu? Și este bună pentru că nu și-a mai pus-o nimeni până acum.

Introducere

Ciocnirea a două picături de lichid se numește „coalescență” în termeni științifici, iar înțelegerea fenomenului prezintă interes pentru multe domenii. Coalescența joacă un rol important în formarea picăturilor de ploaie, în modelarea arderii combustibilului și, de asemenea, în administrarea de medicamente sub formă de picături inhalabile. Descrierea aparține Institutului pentru Fizica Laserilor și face parte din prezentarea proiectului în care a fost implicat.

Pentru că cercetătorii de la Institutul pentru Fizica Laserilor au experianță în acest domeniu, ei au fost cooptați de Agenția Spațială Europeană să participe - de fapt, să coordoneze - un proiect de cercetare intitulat „Dispozitiv pentru investigarea coalescenței picăturilor în vederea aplicațiilor medicale (DropCoal)”. Coordonatorul proiectului a fost desemnat dr. Mihai Boni.

Proiectul își propune să studieze fenomenele de coalescență între două picături mari de lichid în condiții de microgravitație. Experimentele vor avea loc pe Stația Spațială Internațională (ISS), iar scopul principal al proiectului este de a înțelege mai bine procesele care conduc la coalescența a două picături de lichide diferite.

Însă până ca acest experiment să fie făcut pe ISS, el trebuie pregătit cât mai bine pe Pământ, pentru a reduce la maximum numărul necunoscutelor și al surprizelor neplăcute.

În acest sens, a fost aprobat un proiect de tipul Parabolic Flight, adică de simulare a lipsei gravitației în apropierea Pământului. Acest lucru se face cu ajutorul unui avion special, care zboară pe o traiectorie sinusoidală, iar în partea de sus a fiecărei curbe oamenii și obiectele din avion ajung practic să plutească în imponderabilitate.

Această plutire durează aproximativ 20 de secunde, iar nivelul de gravitație este de ordinul 10-² g, adică greutatea unui corp se reduce la a suta parte din greutatea lui normală pe care o are pe suprafața Pământului.

În timpul zborului, avionul descrie mai multe astfel de sinusoide, iar experimentele s-au desfășurat pe perioada a trei zile de zbor, cu 93 de parabole, câte 31 în fiecare zi.

Acul în carul cu fân

Acesta fiind cadrul experimentului (avionul care reproduce lipsa gravitației), să vorbim puțin despre experimentul în sine, care își propune să studieze ciocnirea a două picături de lichid în imponderabilitate.

Experimentul are două componente: ciocnirea propriu-zisă a picăturilor (două picături de apă sau o picătură de apă și o picătură de alcool) și testarea unor ace de seringă care să generaze aceste picături, astfel încât experimentul să se desfășoare în condiții optime.

Trebuie precizat că experimentul are loc într-o cutie specială de aluminiu, în care se pune toată aparatura necesară și camere speciale de filmare, care să surprindă fenomenele studiate.

„Unele întrebări au fost ce tip de ac să folosesc, ca atunci când generez picătura de lichid ea să rămână fixată de acul capilar, nu să se detașeze, pentru că dacă se detașează va rămâne în acea incintă mică și se poate depune fie pe optica aparatului de filmare, fie pe fereastra de intrare, fie pe zona de iluminat... Dacă apare acest lucru, degeaba s-a muncit 3-4 ani la acel obiect, pentru că detașarea unei picături ar duce la eșuarea întregului experiment”, explică Mihai Boni.

Bun, dar câte tipuri de ace pot exista?

„Este un ac blunt (bont), adică are vârful tăiat drept”, spre deosebire de celălalt tip de ac, cel chirurgical, care este tăiat la 45 de grade, astfel încât să străpungă pielea.

„Ce diametru interior va avea (pentru a genera picături mari - n.r.)? Ce acoperire să aibă acel ac? Pentru că poți să pui pe el teflon, astfel încât acul să fie superhidrofobic. Ce tip de forțe de adeziune să existe acolo? Și așa mai departe”, continuă Mihai Boni întrebările.

Și tot el dă și răspunsurile: în final, au fost alese opt ace, cu diametre interioare între 1,6 m și 2,1 mm, pentru a genera picături mari.

„Am folosit opt ace cu dimensiuni diferite, cu acoperiri diferite - teflon, aur -, au fost ace simple sau cu dublu capilar, adică ac în ac, ace cu pâlnie la capăt”, a enumerat Mihai Boni.

Ca un argument în plus că nu e simplu să alegi un ac de seringă pentru un astfel de experiment, mai trebuie menționat că scrierea caietului de sarcini pentru realizarea acestor ace a durat doi ani.

Cutia magică

Experimentele au avut loc într-un mediu controlat, pentru a putea fi măsurate. Cercetătorii au apelat la o cutie din aluminiu pentru transporturi aeriene, foarte rezistentă, pe care au umplut-o cu mecanisme, senzori și aparate, pentru cele două experimente.

Ca să poată face observații cât mai precise a modului în care se ciocnesc picăturile de lichid, au instalat la interior o cameră de filmare care înregistrează 40.000 de cadre pe secundă. Mihai Boni spune că îi interesează foarte mult și momentele dinaintea ciocnirii, când stratul de gaz dintre picăturile de lichid devine din ce în ce mai subțire.

Cutia a fost verificată și răs-verificată pentru a îndeplini toate cerințele de siguranță în timpul zborului, măsurată pe toate părțile, montată și demontată.

De zbor și de verificări s-a ocupat compania Novespace din Franța, care a fost contractată de ESA să organizeze zborul propriu-zis.

Avionul Angelei Merkel

Avionul în care se organizează aceste experimente este un Airbus A310. Dar mai interesant decât modelul este faptul că aparatul de zbor i-a aparținut fostului cancelar al Germaniei, Angela Merkel. Care la un moment dat l-a donat către ESA.

„De ce se folosește acest avion? Pentru că e un avion vechi, care nu are multă electronică și care îi lasă pe cei doi piloți și pe tehnician să facă aceste parabole cu el”, explică Mihai Boni.

Avioanele moderne nu mai permit acest lucru. Dacă un pilot ar încerca să facă aceste parabole sus-jos, sus-jos cu avionul, sistemele electronice de siguranță ar intra automat în funcțiune și ar prelua controlul asupra direcției și altitudinii, la fel ca la mașinile noi, care pot îndrepta volanul sau frâna în locul șoferului, dacă senzorii simt că există un pericol iminent.

Zborul

Cum am arătat și mai sus, pentru a obține microgravitație în apropierea Pământului, soluția este zborul cu avionul pe o traiectorie sinusoidală. În partea de sus a parabolei, se ajunge la (aproape) imponderabilitate.

„Se trece de la 1G la hipergravitație, 2G - în momentele respective simțeam dublul greutății pe care o aveam -, apoi se trece în zero G, adică în microgravitație, iar apoi se trece iarăși în hipergravitație, 2G, după care se ajunge din nou la 1G, steady flight (zbor normal)”, spune Mihai Boni.

Cu alte cuvinte, avionul zboară drept (1G - pasagerii au greutatea lor normală de pe Pământ), apoi pilotul îndreaptă avionul în sus, într-un unghi din ce în ce mai abrupt, moment în care corpul devine de două ori mai greu (2G) din cauza accelerației, după care pilotul lasă avionul să descrie vârful parabolei și îl îndreaptă în jos (în această porțiune apare imponderabilitatea, 0G, când pasagerilor „le fuge” avionul de sub picioare și încep să plutească), apoi avionul accelerează pe o traiectorie descendentă tot mai abruptă, în timpul căreia corpul își dublează din nou greutatea (2G), pentru ca apoi aparatul să revină la zborul orizontal (1G).

Numai că aceasta este doar o parabolă. Într-o zi de zbor avionul execută 31 de parabole, iar în trei zile - 93 de parabole. Un adevărat roller coaster pentru cei cu stomac puternic. Oamenii de știință nu sunt însă piloți militari, deci nu toți au stomac puternic.

Mihai Boni descrie cum a fost pentru el (și pentru alții) primul contact cu hipergravitația și cu lipsa gravitației.

„Au fost 20 de secunde de hipergravitație, unde aveam 2G, am zis că suntem pur și simplu striviți - ți se scurge sângele din cap, simți cum rămâi fără viață. Pentru un începător, 2G înseamnă foarte mult. Chiar și cu acel medicament injectat (scopolamină, pentru atenuarea senzației de rău - n.r.), din 30 de oameni, șase au vomat de la parabola 5 până au ajuns înapoi pe aeroport.”

Însă prin exercițiu, repetare, ajungi să te obișnuiești cu această senzație.

„În prima zi mi-a fost greu. În a doua zi, parcă nici medicamentul nu a mai lovit așa de greu și nici senzația nu a fost atât de puternică, iar în a treia zi am putut sta în picioare, fără nicio problemă, la 2G. La 0G e mai greu de stat în picioare, pentru că începi să plutești”, explică Mihai Boni evoluția.

„Sunt 31 de parabole în fiecare zi. La prima parabolă nu se face nimic - e de acomodare. Ni se spune să stăm întinși pe podea, să nu simți că ți se scurge sângele pe verticală, către picioare. Și așa simți cum se duce sângele spre spatele capului, dar rămâne oarecum în creier și revine mult mai ușor înapoi și te oxigenezi mult mai ușor. Plutirea e în partea de sus a parabolei, până când avionul intră în picaj”, mai spune el.

Acest vârtej de senzații durează aproximativ 20 de secunde în faza de urcare (2G), 22 de secunde în imponderabilitate (0G) și din nou 20 de secunde în faza descendentă (2G). Apoi, de la capăt, după o scurtă pauză de zbor drept.

Experiența experimentului

Ce nu trebuie scăpat din vedere este că în acest roller coaster Mihai Boni - și, de altfel, toți cercetătorii din avion - trebuie să conducă experimentele pentru care au ajuns aici. Adică echipamentele să funcționeze, iar ei să fie capabili să-și mențină atenția și concentrarea asupra a ceea ce au de făcut, lucru care se dovedește dificil în condiții reale.

„Cea mai mare problemă e când apare microgravitația. Ca orice om care trăiește pe Pământ, gândești experimentul în 1G, nu în 0G. Atunci pot apărea diferite neprevăzute, cum ar fi că unele picături urcau pe capilar și rămâneau lipite de tavanul incintei, ceea ce nu se întâmplă în 1G. Un fir neprins ca lumea începea să plutească prin cutie”, enumeră Mihai Boni doar două dintre efectele neprevăzute ale muncii de cercetare în imponderabilitate.

Pe lângă asta, nu e ușor să faci măsurători în condiții de zgomot mare și multă lume împrejur. În plus, sunt tot felul de lucruri care îți distrag atenția - totul e nou împrejur, ești într-o lume în care oamenii merg în picioare pe tavan, cu capul în jos.

Cum a mers

Mihai Boni se declară optimist în legătură cu calitatea măsurătorilor făcute.

„Am senzația că au ieșit (experimentele). Dar trebuie luată fiecare filmare, datele de la fiecare senzor și analizate. Acest lucru va dura o lună, două, cel puțin. După care vom trimite către producător răspunsul nostru - producătorul poate să țină cont de el sau poate nu -, iar mai apoi se va scrie o lucrare științifică, bineînțeles, pe tema aceasta.”

Dispozitivele construite de echipa de cercetători au reușit să genereze picături mari, mult mai mari decât cele care se formează în mod normal pe Pământ. Dacă pe Pământ o picătură de apă are 30 de microlitri, ei au realizat picături de 200 de microlitri, cu un diametru de 7 milimetri, mai mare decât orice picătură de ploaie.

„În plus, sunt perfect sferice, iar pe Pământ au formă de pară”, mai spune Mihai Boni.

Însă asta nu înseamnă că nu au avut parte și de surprize, neprevăzutul pe care nu l-au putut anticipa înainte să urce în avion.

„În prima zi am studiat apa. Totul a decurs foarte bine, am generat picături mai bine sau mai puțin bine pe diferitele ace - va trebui să analizăm măsurătorile. Însă, în momentul în care am introdus alcool acolo, fereastra a apărut ca o ceață, cu siguranță a fost un punct de rouă (punct de condensare - n.r.) și atunci a început să se depună, au fost oarecum blurate (imaginile - n.r.). Și atunci trebuie să mergem la producător și să-i spunem «uite, la temperatura asta, altitudinea asta și presiunea asta s-a format condens. Tratează fereastra cu un tratament antiaburire».”

Echipa de cercetare nu cunoaște care va fi deznodământul experimentelor făcute în microgravitație: „Momentan, nu știm care va fi tipul de ac (ales), ESA de aceea a plătit zborul, dar are un pas în față pentru viitoarele experimente”.

Dacă experimentul reușește, următoarea fază va fi să fie realizat în spațiu, pe Stația Spațială Internațională, în condiții „și mai reale” de imponderabilitate, dacă se poate spune așa. Iar dispozitivul care va realiza experimentul va fi construit de o firmă românească, pe baza măsurătorilor și observațiilor făcute de Mihai Boni și echipa coordonată de el.

Aplicabilitate

Și ne întoarcem din nou de unde am plecat, de la întrebarea la ce folosește ciocnirea a două picături de lichid în spațiu.

În primul rând, „nu se cunosc toate proprietățile lichidelor în spațiu. În spațiu coalescența se întâmplă la fel ca pe Pământ?”, întreabă Mihai Boni. Iar acesta este un motiv foarte bun pentru a studia fenomenul.

„Am stabilit câteva viteze de generare a picăturii. Vom studia cum se contopesc picăturile una în alta”, mai spune el, explicând și la ce ar putea folosi aceste cunoștințe: „Vrem să vedem cum se livrează medicamentele sub formă de spray și vrem să înțelegem ce se întâmplă cu combustibilul în rezervoarele rachetelor”.

În lumea oamenilor de știință, discuțiile despre călătorii lungi în spațiu nu mai țin de literatura SF, ci de viitorul omenirii.

„Se testează «sate spațiale», unde oamenii vor sta perioade lungi de timp, unde oamenii vor trebui să-și administreze medicamente”, mai dă Mihai Boni un exemplu de aplicabilitate.

Cobai pentru alții

În avionul ZeroG au fost mai multe echipe care au desfășurat experimente, în total în jur de 30 de oameni. Fiecare cu rolul lui, fiecare având ceva de făcut în timpul zborului parabolic.

Cu toate acestea, Mihai Boni a găsit timp să ajute și altă echipă la experimente, oferindu-se drept „cobai”.

„În a treia zi (de zbor - n.r.) am participat la un alt studiu, al unor cercetători francezi, care aveau nevoie de «cobai» și atunci m-am oferit «cobai». Am purtat o centură care măsura bătăile inimii - pe ei îi interesa cum se modifică partea de miros, cum se modifică bătăile inimii, în același timp făceau și un un EKG, înainte de zbor, în timpul zborului și după zbor. Îi interesează dacă apar modificări în bătăile inimii, denaturarea mirosului sau intensificarea mirosului, pentru că primeam să mirosim cartonașe în avion și să notăm de la 1 la 10 cât de intens este mirosul, să recunoaștem acel miros.”

Echipa

Mihai Boni este singurul din echipa de cercetători români care a participat la testarea echipamentelor în cadrul zborului parabolic din Franța, la Bordeaux. Ceilalți membri ai echipei de testare sunt germani, de la Universitatea Tehnică din Darmstadt. În afară de ei, din echipa care a realizat proiectul mai fac parte un profesor din Statele Unite și încă patru români.

Este vorba despre Mihail-Lucian Pascu, cercetător, îndrumătorul proiectului, Ionuț Relu Andrei, cercetător, Marian Cojocaru, tehnicianul care a ajutat la realizarea dispozitivelor necesare experimentelor (toți de la Institutul Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației), și Cristian Trancă, șef de lucrări la Automatică și Calculatoare la Politehnica București, care a făcut partea de software și de automatizare.

Cât despre finanțare, mai spune Mihai Boni, au beneficiat de o sponsorizare în valoare de circa 2.500 de euro din partea unei firme private, care i-a ajutat cu seringi și ace speciale pentru experimentele pe care le-au realizat în imponderabilitate, iar ESA s-a ocupat de organizarea zborului parabolic.

• Etichete:
• cercetare
• experiment
• statia spatiala internationala
• gravitatie zero
• mihai boni

Descarcă aplicația Digi24 și află cele mai importante știri ale zilei