La Scienza di Samantha: FLUIDICS

L'hardware per l'esperimento FLUIDICS. Credits: ESA/NASA

Prevedere il comportamento dei liquidi sulla Terra è molto difficile; nello spazio, senza l’effetto della gravità, lo è ancora di più.

Per un astronauta, far uscire l’ultima goccia di aranciata dal suo contenitore potrebbe rivelarsi un’esperienza frustrante. Parallelamente e con diversi gradi di complessità in più, anche gli ingegneri che progettano satelliti in modo da poter utilizzare fino all’ultima goccia di propellente in condizioni di assenza di peso o che progettano razzi con serbatoi in grado di inviare carburante ai propulsori in condizioni di carichi estremi e in maniera efficiente, si trovano a dover affrontare delle sfide ingegneristiche ardue.

L’esperimento sulla meccanica dei fluidi FLUIDICS (FLUId DynamICs in Space) indaga sul fenomeno detto sloshing (traducibile con il termine italiano sciabordio, ovvero l’agitarsi di un liquido allo scuotersi di un contenitore chiuso) quando avviene nelle condizioni presenti sulla Stazione Spaziale Internazionale, ovvero in microgravità. Questo è l’oggetto della prima parte dell’esperimento.

L’astronauta dell’ESA Thopmas Pesquet poco prima dell’installazione dell’esperimento FLUIDICS nel modulo laboratorio Columbus. Credits: ESA/NASA

Per fare questo, il dispositivo FLUIDICS simula i movimenti subiti da un satellite nello spazio, usando una centrifuga che muove una sfera trasparente riempita con un liquido colorato. In questo caso l’obiettivo è comprendere come meglio ottimizzare le manovre dei satelliti in modo da estenderne la vita operativa in relazione alla disponibilità di propellente.

La seconda parte dell’esperimento riguarda l’analisi, al livello più fondamentale possibile, dei trasferimenti di energia che avvengono sulla superficie del liquido in movimento. Questi fenomeni sono denominati wave turbulence (turbolenza d’onda in italiano) e sono ancora poco conosciuti nella comunità scientifica. Sulla Terra la gravità e la tensione superficiale influenzano il modo in cui una forza si dissipa in onde o nelle increspature superficiali. Con i dati di FLUIDICS gli scienziati possono osservare come le forze superficiali si comportano in condizioni di assenza di peso, rimuovendo quindi un fattore influenzante (la gravità), per semplificare la comprensione del fenomeno. Ciò non sarà utile solo per gli ingegneri che progettano sistemi spaziali, ma servirà anche a sviluppare migliori modelli climatici e a predire lo stato dei mari con più accuratezza, per esempio a beneficio della produzione di energia elettrica dal moto ondoso della superficie marina.

Thomas Pesquet durante le fasi di installazione dell’esperimento FLUIDICS. Credits: ESA/NASA

Più approfonditamente, per turbolenza d’onda si intendono tutti quei movimenti irregolari della superficie di un liquido, come appunto le onde del mare. Nonostante da oltre 40 anni siano stati messi in campo numerosi approcci teorici sull’argomento, il fenomeno della turbolenza d’onda non risulta purtroppo essere un campo di ricerca di particolare interesse per gli scienziati. FLUIDICS permetterà ai ricercatori dell’École normale supérieure di Parigi e del Centre national de la recherche scientifique di comprendere a fondo questo argomento.

Lo scopo di questo esperimento è di convalidare le previsioni del comportamento dei fluidi in condizioni di microgravità. La prima parte dell’esperimento indaga sulle questioni tecnologiche relative allo sciabordio dei fluidi durante le manovre dei satelliti. La seconda parte permetterà di osservare la turbolenza d’onda capillare sulla superficie di uno strato fluido, in un ambiente a bassa gravità.

Infografica dell’esperimento FLUIDICS. Credits: ESA

Il team

FLUIDICS è gestito da ricercatori dell’agenzia spaziale francese CNES e dell’accademia delle scienze francese, è stato sviluppato dal CNES e sponsorizzato dall’Agenzia Spaziale Europea, dal CNES e da Airbus DS. Il suo periodo operativo sulla Stazione si estende dal novembre 2016, quando è stato installato dall’astronauta francese Thomas Pesquet nel modulo Columbus, durante la sua missione Proxima, al marzo 2023.

Applicazioni

Per quanto riguarda le tecnologie spaziali, i risultati di FLUIDICS possono essere d’aiuto nello sviluppo di progetti con una migliore ottimizzazione dei sistemi di gestione dei propellenti e possono fornire soluzioni per aumentare il tempo di vita utile di un satellite, tramite una migliore gestione del propellente per le manovre.

Sulla Terra i risultati di questo esperimento, oltre ad aiutare la comprensione dei movimenti dei fluidi, sono utili per capire meglio il comportamento degli oceani del nostro pianeta, incluso anche il fenomeno delle onde anomale. Più in generale, i risultati che si attendono dall’esperimento potrebbero aiutare a migliorare i sistemi di previsione climatica e a ottimizzare l’impiego dell’energia rinnovabile degli oceani.

Descrizione

L’hardware di FLUIDICS consiste in tre piccole sfere trasparenti, con una centrifuga per far muovere il liquido posto al loro interno e da due videocamere dedicate. La prima sfera, usata per le analisi della turbolenza d’onda, contiene acqua distillata colorata. Le altre due sfere, usate per le ricerche sullo sciabordio, contengono un liquido speciale dotato di una bassa viscosità e di una bassa tensione superficiale. I risultati ottenuti vengono analizzati e comparati con i modelli di simulazione. La durata di alcuni minuti di ciascuna sessione dell’esperimento permette di osservare fenomeni mai osservati né sulla Terra né durante i voli parabolici. Nel corso degli altri incrementi di missione, sono state aggiunte altre tre sfere per raccogliere ulteriori dati.

 Una delle sfere trasparenti dell’esperimento FLUIDICS a bordo della Stazione spaziale internazionale. Analizzando il comportamento del liquido contenuto in questa sfera si studia la posizione del centro di massa rispetto a un gradiente di temperatura, simulando quello che avviene in un serbatoio di propellente nello spazio. L’osservazione della turbolenza d’onda capillare sulla superficie di uno strato di fluido in un ambiente a bassa gravità può essere d’aiuto nella determinazione precisa della quantità di fluido presente in una sfera. Credits: ESA/NASA
FLUIDICS con una delle tre sfere oggetto dell’esperimento. Credits: CNES

Operatività dell’equipaggio

L’astronauta della NASA Victor Glover alle prese con la re-installazione dell’esperimento FLUIDICS nel febbraio 2021. Credits: ESA/NASA

Per la prima sessione sono necessarie 3 ore di tempo dell’equipaggio per le attività di assemblaggio, preparazione, esecuzione e finalizzazione degli esperimenti. Oltre alla gestione delle singole sessioni dei vari test, l’equipaggio dovrà effettuare la copia del filmato relativo alla singola prova, il quale dovrà essere visualizzato prima di poter passare alla prova seguente. La durata di un singolo test è di circa 5 minuti. Samantha Cristoforetti il 15 e il 16 giugno, ha svolto delle sessioni di FLUIDICS all’interno del laboratorio europeo Columbus.

Gestione dei dati

Tralasciando gli aspetti meramente operativi e tecnici, va detto che durante le sequenze di test il moto del fluido generato dalla rotazione della centrifuga è registrato da due videocamere poste in due differenti punti di osservazione della sfera. I filmati e le registrazioni delle forze in gioco rilevate dagli appositi sensori sono scaricati al termine di ciascuna sessione di test.

Per determinare le caratteristiche delle micro vibrazioni presenti nei pressi dell’hardware, vengono impiegati i dati del sistema SAMS (Space Accelerations Measurement System) della ISS. Il SAMS misura le vibrazioni e i disturbi da accelerazioni transienti generati dalle attività della Stazione come il funzionamento dei vari sottosistemi di bordo, le operazioni degli esperimenti, le contrazioni e le espansioni termiche delle strutture dell’avamposto orbitale e i movimenti dell’equipaggio. Quando necessario, i sistemi dei sensori Remote Triaxial Sensor (RTS) del SAMS vengono impiegati per monitorare le accelerazioni generate dall’ISS, per ciascun singolo esperimento che richiede questo tipo di rilevamento. L’unità SAMS presente nel modulo laboratorio Columbus è disponibile al supporto di FLUIDICS e quindi non sono necessari spostamenti o diverse impostazioni dei suoi sensori.

Fonti: NASA; ESA Erasmus Experiment Archive; ESA

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Luca Frigerio

Impiegato nel campo delle materie plastiche e da sempre appassionato di spazio, basket e birra artigianale. E' iscritto a forumastronautico.it dal Novembre 2005 e da diversi anni sfoga parte della sua passione scrivendo per astronautinews.it. E' socio dell'Associazione Italiana per l'Astronautica e lo Spazio (ISAA)