La Scienza di Samantha: FOAM

Il contenitore per le provette dell'esperimento FOAM viene sottoposto agli ultimi controlli prima del lancio. Credits: ESA/Airbus–Arne Piontek

L’intento dell’esperimento FSL (Fluid Science Laboratory) Soft Matter Dynamics – Hydrodynamics of wet Foams (Foam Coarsening), è quello di svolgere indagini sulle cosiddette schiume umide, in particolar modo sulle dimensioni delle bolle e sulle dinamiche della loro ristrutturazione, come nel fenomeno della coalescenza.

Come è facile intuire, le condizioni di microgravità offerte dalla Stazione Spaziale Internazionale, offrono l’opportunità di studiare meglio questi argomenti; inoltre, la microgravità è essenziale per studiare i fenomeni di risistemazione delle bolle, come l’ingrossamento e l’irrigidimento, slegati dal fenomeno del drenaggio del liquido causato dalla gravità terrestre.

Agosto 2020, l’astronauta della NASA Chris Cassidy mostra uno dei portaprovette dell’esperimento FOAM. La schiuma viene generata agitando i pistoncini bianchi presenti in ciascuna provetta. Credits: NASA

Il team scientifico

L’esperimento è gestito da scienziati delle seguenti istituzioni: Laboratoire de Physique des Solides dell’Université Paris-Sud (Orsay, Francia), School of Physics del Trinity College Dublin (Dublino, Irlanda), Institut des NanoSciences de Paris / UMR CNRS 7588 dell’Université Pierre & Marie Curie (Paris 6) (Parigi, Francia), Department of Mathematics dell’University of Aberystwyth (Aberystwyth, Regno Unito), University of Pennsylvania (Philadelphia, Pennsylvania, USA), Department of Physics della Faculty of Science della Ochanomizu University (Tokyo, Giappone) e Moscow Polytechnic University (Mosca Russia).

L’esperimento è stato realizzato da Airbus DS GmbH (Friedrichshafen, Germania) ed è stato finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA).

Come per tutti gli esperimenti nel rack FSL, il controllo e la raccolta dei dati dello studio vengono svolti dal Belgian User Support and Operations Centre (B.USOC) di Bruxelles, Belgio.

Una delle prime immagini della sciuma formatasi in una delle provette dell’esperimento. Credits: ESA

Applicazioni

Le schiume possono avere un potenziale interesse negli ambienti in microgravità, per esempio nella soppressione degli incendi, come sistema di pulizia delle acque tramite flottazione e come materiale leggero e resistente per vari impieghi (schiume solide).

Sulla Terra, la flottazione (o flottaggio) dei minerali tramite bolle è uno dei più vecchi e importanti sistemi di applicazione delle bolle nei liquidi. Questo processo viene studiato come metodo di pulizia delle acque, e viene ritenuto molto interessante soprattutto nell’industria petrolifera. Le schiume liquide vengono largamente utilizzate in svariate applicazioni: detersione, industria alimentare, industria farmaceutica, contro l’inquinamento petrolifero e nei sistemi antincendio, per fare qualche esempio.
Le schiume solide sono di sempre più grande interesse per la loro bassa densità e per la loro buona resistenza meccanica. Esse vengono prodotte fondendo il materiale che deve essere impiegato per formare la schiuma, per poi solidificarlo con specifiche tecnologie. Nella maggior parte delle applicazioni, le schiume contengono un’elevata percentuale di liquido durante la loro lavorazione. Le conoscenze scientifiche nel campo delle schiume umide sono però sfortunatamente estremamente limitate; quindi una migliore comprensione delle loro proprietà può essere d’aiuto nel loro impiego e nei processi industriali a esse legati.

Panoramica

Le schiume sono dispersioni di gas in matrici liquide o solide. Tipicamente si formano in condizioni in cui la matrice è liquida (nelle schiume solide la matrice inizialmente è liquida, e poi si solidifica). I comportamenti di schiume in microgravità e sulla Terra sono differenti, poiché il processo di drenaggio è assente in condizioni di microgravità. Il termine “drenaggio” si riferisce al flusso irreversibile di liquido che passa attraverso la schiuma, e che porta all’accumulo dello stesso sul fondo del recipiente e alla conseguente diminuzione del liquido presente all’interno della schiuma stessa, proprio come accade per esempio alla schiuma della vostra birra preferita. In questo caso, le bollicine si deformano in poliedri, in tutta la porzione superiore della schiuma, dando vita alla cosiddetta “schiuma secca”. Quando i film di liquido presenti fra le bolle sono molto sottili, si rompono e la schiuma collassa. Questo avviene quando sono assenti gli opportuni agenti stabilizzanti (i cosiddetti tensioattivi).

La microgravità offre l’opportunità di svolgere ricerche sulle cosiddette “schiume umide”, le quali non possono essere stabilizzate sulla Terra a causa del fenomeno del drenaggio (il drenaggio è più veloce quando le schiume sono più umide). Una transizione particolarmente interessante nelle schiume umide, dovrebbe essere osservata al di là del punto in cui le bollicine sono strettamente impaccate, ma ancora di forma sferica. Per le schiume disordinate, la transizione (Jamming Transition) fra la forma poliedrica delle bollicine e quella sferica, avviene quando la frazione liquida Phi (Φ) è prossima al 36%; dove Φ = 0% corrisponde all’aria senza liquido e Φ = 100% corrisponde al liquido senza bollicine. A bassi valori di Φ, le bolle vengono distorte per formare i poliedri e le schiume di comportano come un solido morbido. Al contrario, a elevati valori di Φ le schiume si comportano come un liquido viscoso in quanto le bollicine possono muoversi indipendentemente. Simili punti di transizione sono presenti in altri sistemi di materiali o oggetti impaccati casualmente, come la sabbia, l’argilla, le emulsioni ecc., che sono attualmente oggetto di molto interesse. La fisica delle schiume umide è ancora poco conosciuta e questa ricerca intende colmare questa lacuna.

 Schema dell’aspetto della schiuma per differenti frazioni in volume di liquido φ. Credits: ESA/CNRS

Nello specifico, FSL Soft Matter Dynamics – Hydrodynamics of Wet Foams (Foam Coarsening), intende studiare schiume, acquose e non, nell’ambiente in microgravità della Stazione Spaziale Internazionale con particolare attenzione alla fase di accrescimento, cioè al trasferimento di gas fra le bolle a causa delle differenze di pressione. Questo fenomeno porta alla crescita della dimensione media delle bolle in relazione al tempo, in modo esponenziale, con una variazione netta al punto di transizione di Φ = 36%. Il progetto affronta in seguito il comportamento delle schiume sotto stress meccanico, dove la risistemazione delle bolle gioca anche un ruolo importante.

L’astronauta della NASA Jessica Meir dell’Expedition 62, ha installato l’esperimento nel Fluid Science Laboratory (FSL) del laboratorio europeo Columbus il 6 marzo 2020; di seguito sono stati lanciati altri campioni con SpX-22 a giugno 2021 (FOAM Batch 2) e poi altri ancora con il cargo Cygnus NG-17 a Febbraio 2022 (FOAM Batch 3, lanciati insieme a PASTA).

1º dicembre 2020. L’astronauta della NASA Victor Glover mostra il campione Sample Cell Unit S/N 6, da lui preparato per il ritorno sulla Terra. Credits: NASA

Terminata la sessione di PASTA, Samantha ha installato i campioni del Batch 3 il 10 Agosto 2022. Successivamente, quando anche la sessione del Batch 3 è stata completata, ne ha rimosso i campioni ed ha installato di nuovo il Batch 2 il 4 ottobre per riprendere alcuni test che erano stati considerati a priorità minore e quindi posticipati.

Fonti: NASA; 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)