Kísérletek a Columbia űrrepülőgépen

Az illatszergyárak állandóan új illatok után kutatnak. Ezt teszik most a Columbia űrrepülőgép fedélzetén is, ahol egy rózsa és egy ázsiai rizsvirág tulajdonságait, illatozását tanulmányozzák.

A virágok változatos illatát elsősorban párolgó növényi olajok adják. A tapasztalatok szerint a körülmények erősen befolyásolják, hogy egy adott virág milyen összetételű illatot áraszt: hat rá a hőmérséklet, a páratartalom, a napszak, a virág életkora és egyebek. 1998-ban próbálták ki először, hogy a súlytalanság is hatással van-e az illatokra. Az űrrepülőgép egy kis bimbózó rózsát vitt a magasba, amely a Földön megszokott mértékben kapott fényt, vizet, tápanyagokat, az egyetlen eltérést a súlytalanság jelentette számára.

Az űrhajósok nem szagolgatták a rózsát, az elemzést műszerekre bízták. Vékony, különleges folyadékkal bevont kis üvegrúddal vettek mintát, erre tapadtak az illatmolekulák. A mintákat földi laboratóriumban elemezték. Ez nem is könnyű feladat, hiszen a rózsaillat mintegy kétszáz különböző összetevőt tartalmaz. Kiderült, hogy a rózsa az űrben más illatokat áraszt, mint a földön. Kevesebb olajat párologtat, és a molekulakeverék összetétele is alaposan eltér az ismert földitől. A nagyon kellemesnek bizonyult űrbeli illatkeveréket egy japán parfümgyár a Zen fantázianevű készítményében már piacra is vitte. A mostani kísérlet során is arra kíváncsiak a kutatók, milyen új illatok jelentkeznek. Mai ismereteinkkel nem tudjuk előre megbecsülni, milyen változások várhatók az illatkeverék összetételében a súlytalanságban. Marad a próba, amelynek eredménye kedvező esetben – ha az illatszakértőknek is tetszik – előbb-utóbb megjelenik az illatszerboltok kínálatában is.

Lánggömbök

1984-ben egy ejtőtoronyban a szabadon eső kannában égő hidrogén lángját filmezték. Ekkor fedezték fel teljesen váratlanul a lánggömböket. A szabadesés 2,2, másodperce alatt a mikrogravitációs környezetben a láng apró gömbökre vált szét. A lánggömbökben mindössze 1–2 watt hőteljesítményt mértek, miközben egy közönséges gyertya hőteljesítménye is 50–100 watt. Utólag kiderült, a lánggömbök különleges, például mikrogravitációs körülmények közti létezésének lehetőségét már 1944-ben felvetette J. Zeldovics szovjet fizikus.

A láng bonyolult, összetett jelenség. A gyertyalángban igen sokféle kémiai reakció játszódik le. A szénhidrogén-molekulák elpárolognak, kisebbekre törnek szét, majd oxigénnel egyesülve fény, hő, szén-dioxid és víz keletkezik. A láng jól ismert könnycsepp alakját a gravitáció okozza: a meleg levegő felszáll és hideg jön a helyébe, a láng a felhajtóerő miatt csap fel és libeg. A lánggömb sokkal egyszerűbb. Kis gravitáció mellett jön létre, ekkor az örvénylés és a felhajtóerő hatása jelentéktelen. Az égés a gömb felületén megy végbe, a gömb mérete égés közben nem változik. 1997-ben is a Columbia űrrepülőgép fedélzetén tanulmányozták a lánggömböket. A tapasztalatok alaposan rácáfoltak a modellszámításokra, a vártnál 2–3-szor nagyobbak voltak és hosszabban égtek a gömböcskék. (Nyolc perc után a rendszer kioltotta az égést.) Most jóval hosszabb időt hagynak számukra, a többször megismételt mérésekben 25 és 167 perc közti időtartamig éghetnek a lánggömbök. A műszerek rögzítik a hőmérséklet, a fényesség, a hőveszteség nagyságát, elemzik a gázhalmazállapotú égéstermékek összetételét. A lánggömbök rendkívül érzékenyek a mozgásra, ezért a kísérletek idejére még az űrrepülőgép helyzetstabilizáló rendszerét is kikapcsolják.

Az égéskísérletek eredménye, az égés jelenségének jobb megismerése fantasztikusan széles fronton hasznosulhat: belső égésű motorok építése (autók, repülőgépek), robbanások kezelése szénbányákban és vegyi üzemekben, autók és szénerőművek égéstermék-kibocsátása és nem utolsósorban az űrrepülőgépen vagy az űrállomáson alkalmazandó tűzoltási eljárások kidolgozása.

Ketchup

Sokan tapasztalták már, hogy az üvegből nagyon nehezen jön ki a mártás, ezért alaposan megrázzák, mire egyszerre híg szósz ömlik mindenre. A ketchup túl sok, eltérő tulajdonságú alapanyag elegye, ezért laboratóriumi kísérletekkel nem tudjuk feltárni a rendkívüli viselkedés okait, az elméleti fizika szép tiszta egyenletei pedig még távolabb vannak a paradicsomos mártás ragacsos valóságától. A vizsgálandó jelenség, a nyíróhatásra való hígulás más anyagoknál is fellép.

A folyadékok többségének nem változik a viszkozitása nyíróhatásra, de egyesek, például a tejszínhab, a vér vagy a körömlakk a ketchuphoz hasonlóan nyíróhatásra hígulnak. Normál állapotban mézsűrűek, de keverés vagy rázás hatására felhígulnak. Más folyadékoknál a hatás éppen ellentétes, a nedves beton nyíróhatásra sűrűsödik. Nyírásnak vagy csúsztatásnak, némi pontatlansággal, azt az alakváltozást nevezik, melynek során az erő hatására a folyadék részei elcsúsznak egymáson. A hétköznapi jelenség megértésétől még messze vagyunk, mert nem ismerjük eléggé a folyadékban molekuláris szinten zajló kölcsönhatásokat. Bonyolítja a helyzetet az is, hogy egyes folyadékok minden külső beavatkozás nélkül, az idő múlásával változtatják sűrűségüket, a mindennapi gyakorlatban nem könnyű a nyíróhatásra és az idő hatására beálló változásokat megkülönböztetni, szétválasztani egymástól. A feladatot tehát le kell egyszerűsíteni. A bonyolult összetételű ketchup helyett válasszunk valami tiszta anyagot, például egy nemesgázt, a xenont. Egyszerűsítsük tovább a feladatot, és küszöböljük ki a gravitációt is – hiszen amiatt csorgott az üvegből lefelé a lé.

Az űrrepülőgép fedélzetén csaknem nulla a gravitáció. A xenon normál nyomáson -108 Celsius-fokon cseppfolyósodik folyadékká. A kísérletben nagyobb nyomást és magasabb hőmérsékletet állítanak be. Úgy választják meg a paramétereket, hogy a xenon egyszerre legyen jelen gáz- és folyadékfázisban, tehát egyik része folyadék, a többi gáz. Olyan, mint az őszi köd, abban is parányi folyadék- és gáztartományok váltakoznak. Ebben a különleges állapotban az egyszerű folyadékok is képesek nyíróhatásra hígulni. Földfelszíni körülmények között azonban nem marad fenn ez a gáz- és folyadékelegy a teljes térfogatban, a tömegvonzás hatására a nagyobb cseppek lefelé mozognak, alul jóval nagyobb lesz a sűrűség, mint fent. Ha nem erre a mechanizmusra vagyunk kíváncsiak, akkor jobb az egészet kiküszöbölni, ezért vitték fel a kísérletet a Columbia űrrepülőgép mikrogravitációs körülményei közé. Az űrállomás fedélzetén beállítják a kritikus állapothoz tartozó nyomás- és hőmérséklet-viszonyokat, majd egy kis robotgép kevergetni kezdi a xenonmintát. A paramétereket lépésről lépésre változtatják. Megvizsgálják, hogyan hat a hőmérséklet változtatása a nyíróhatások miatt fellépő hígulásra. Magasabb vagy alacsonyabb hőmérsékleten gyorsabb-e a hígulás? Természetesen változtatják majd a mintára kifejtett hatásokat, a keverés sebességét, a keverés mennyiségét. Ügyes megoldással maga a keverőlapát méri az eredményt, a hígulás mértékét is. Ahogy a xenonfolyadék hígul, úgy lesz a keverőlapátnak egyre könnyebb a dolga, egyre kisebb ellenállásba ütközik, ez pedig pontosan mérhető.