La Scienza di Samantha: Particle Stabilised Emulsions and Foams (PASTA)

Un barattolo di maionese. Credits: Wikipedia/CC BY 2.0

Il progetto FSL (Fluid Sciences Laboratory) Soft Matter Dynamics – Particle STAbilized Emulsions and Foams (PASTA), intende studiare le dinamiche delle gocce e l’evoluzione delle loro dimensioni nelle emulsioni. Gli esperimenti in condizioni di microgravità permettono uno studio accurato e una migliore caratterizzazione dell’azione di determinati additivi, usati per aumentare o diminuire la stabilità delle emulsioni, sui meccanismi di destabilizzazione, grazie alle condizioni semplificate ottenute disaccoppiandoli dagli effetti del galleggiamento e della forza di gravità.

Samantha Cristoforetti rimuove le provette dell’esperimento PASTA dal Fluid Science Laboratory, 10 agosto 2022. Credits: ESA/NASA

Il team scientifico

Il gruppo internazionale di lavoro è guidato dal CNR – Istituto di Chimica della Materia Condensata e di Tecnologie per l’Energia (ICMATE, Genova) e si avvale della collaborazione di studiosi del Max Planck Institut für Kolloid und Grenzflächenforschung (Potsdam, Germania), dell’Université Aix-Marseille – Centre St. Jérôme (Marsiglia, Francia), dell’Aristotle University (Salonicco, Grecia), dell’University of Alberta, Edmonton (Alberta, Canada), del Dept. Quimica Fisica, Universidad Complutense (Madrid, Spagna), dell’Université de Technologie de Compiègne (Compiègne, Francia), della Virginia Commonwealth University (Richmond, Virginia, Stati Uniti), della Loughborough University (Loughborough, Regno Unito), dell’Università di Parma e della St. Petersburg State University (San Pietroburgo, Russia). L’hardware è stato realizzato da Airbus DS GmbH (Friedrichshafen, Germania) mentre l’intero progetto è stato finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea.

Le operazioni di PASTA sono state gestite da Terra dagli operatori del Belgian User Support and Operations Centre (B.USOC).

Applicazioni

In ambito spaziale non sono ancora stati individuati dei campi in cui poter applicare direttamente le innovazioni portate da questo esperimento.

Diversamente, sulla Terra, le emulsioni hanno un’importante rilevanza trasversale in diversi comparti: nell’industria alimentare, nella cosmetica, nella farmaceutica, nel petrolchimico, nel campo delle vernici e dei rivestimenti, nell’industria chimica e nella produzione di alcune tipologie di materiali come i nanomateriali. Comprendere il loro comportamento aiuterà nello sviluppo di prodotti e processi basati sulle emulsioni e sulle schiume rendendoli migliori, più ecologici e più salutari.

Panoramica

Il cargo Cygnus NG-17 con a bordo il contenitore per esperimenti Soft Matter Dynamics (SMD) è decollato con un razzo Antares il 19 febbraio 2022 dalla Wallops Flight Facility della NASA, in Virginia. Insieme con l’SMD, sulla navetta Cygnus NG-17 vi erano anche 16 provette di campioni dell’esperimento PASTA, nelle quali erano state inserite misture di olio e acqua con diversi tensioattivi (i tensioattivi sono delle sostanze che abbassano la tensione superficiale fra due liquidi per facilitarne la miscelazione).

Il 28 Febbraio, l’astronauta tedesco dell’ESA Matthias Maurer ha installato il nuovo modulo SMD nel rack Fluid Sciences Laboratory (FSL) del modulo laboratorio europeo Columbus, sotto la supervisione e la guida del Belgian Control Centre (B.USOC). Dopodiché, lo stesso giorno, Maurer ha anche installato i campioni di PASTA dentro all’SMD. Da allora, gli operatori del B.USOC lavorando per alcuni mesi, quasi tutti i giorni e per 24 ore al giorno, hanno eseguito da Terra svariati protocolli di ricerca fino a raggiungere tutti gli obiettivi dell’esperimento. Samantha Cristoforetti ha quindi disinstallato l’hardware il 10 agosto scorso, ponendo fine alla missione di 163 giorni di PASTA, durante i quali sono stati svolti 119 giorni di ricerca scientifica. I campioni sono stati poi riportati a Terra con la navetta cargo SpaceX-25.

PASTA da vicino

Ciascuna provetta dell’esperimento è dotata di un pistone che rende possibile agitare la mistura all’interno della provetta stessa a diverse frequenze e durate per emulsionare i liquidi. Le provette sono inserite a gruppi di quattro nei portacampioni che poi sono inseriti nella giostra girevole all’interno dell’SMD. La giostra permette di posizionare ogni singola provetta alla portata dei sensori dell’SMD. Una telecamera panoramica acquisisce le immagini in sequenza al microscopio in bianco e nero della provetta, mentre una combinazione di un sensore laser, di una telecamera e di due CorrTector rende possibile l’impiego di nuovi metodi diagnostici come la Spettroscopia a Onde Diffuse (sia in trasmissione che in retrodiffusione), e la Spettroscopia Speckle Visibile (la quale consente una correlazione risolta nel tempo).

I contenitori per le provette per l’esperimento PASTA. Credits: ©Space Applications Services

Il Fluid Science Laboratory fornisce energia e trasmissione dei dati all’SMD per le operazioni in remoto, rendendo possibile la trasmissione delle immagini e dei dati scientifici al suolo.

Cosa sono le emulsioni?

Semplicemente, le emulsioni sono misture di due liquidi normalmente immiscibili, alle quali bisogna aggiungere tensioattivi ed emulsionanti per favorirne l’omogeneizzazione. Probabilmente, l’emulsione più famosa di tutte è la maionese. La maionese è un’emulsione di olio disperso nell’acqua contenuta nel tuorlo d’uovo, cioè un sistema colloidale formato da due liquidi immiscibili in cui uno di essi si trova sotto forma di piccolissime goccioline (olio, fase dispersa) e l’altro liquido agisce da fase continua o disperdente. Il tuorlo contiene sostanze come la lecitina che hanno affinità sia per l’olio (idrofobe) che per l’acqua (idrofile). Queste molecole si legano alla gocciolina d’olio avvolgendola e lasciando all’esterno la loro parte idrofila che si lega all’acqua. Il vigoroso scuotimento della frusta del cuoco permette la fine dispersione delle goccioline di olio. Altri esempi di emulsioni sono il latte, la pasta (intesa come impasto), i cosmetici, alcuni tipi di farmaci come i vaccini ecc.

Un’altra immagine di Samantha Cristoforetti al lavoro sull’esperimento il 10 agosto 2022. Credits: ESA/NASA

Emulsioni in microgravità

Gli studi approfonditi dei meccanismi fisici alla base della formazione e del mantenimento delle emulsioni, e la conseguente verifica dei modelli teorici descrittivi, sono ardui da eseguire qui sulla Terra, a causa della predominante forza di gravità che influenza il processo e le osservazioni; pertanto si rende necessario proseguire queste ricerche nelle condizioni di microgravità offerte dalla Stazione Spaziale Internazionale.

Fonti: NASA; ESA; Space Applications Services; Royal Belgian Institute for Space Aeronomy

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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)