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Expériences canadiennes

Installation aquatique de recherche (ARF)

Conçue et construite au Canada, l'installation aquatique de recherche (ARF) est un laboratoire spatial qui donne aux scientifiques l'occasion d'effectuer, en conditions de microgravité, des travaux qui les amèneront à mieux comprendre certains aspects des dérèglements du développement embryonnaire, de la décalcification osseuse et de l'écologie marine. L'ARF est le fruit d'une coopération entre l'ASC et la NASA ­ l'ASC a construit le matériel d'expérimentation et la NASA l'accueille à bord de sa navette. Les deux agences entendent mettre en commun les résultats de leurs travaux respectifs. On prévoit envoyer l'ARF dans l'espace au moins une fois par année.

L'installation, construite par MPB Technologies de Montréal, sert à de nombreuses expériences, dont les trois premières ont été effectuées pendant la mission STS­77. Constituée de six récipients distincts contenant chacun deux miniaquariums, ou alvéoles, elle peut servir à douze expériences simultanées. Pour permettre de vérifier si un résultat est vraiment dû aux conditions de microgravité, l'ARF comporte un deuxième ensemble de six récipients identiques aux premiers, mais montés sur un plateau tournant dont le mouvement de rotation produit une accélération égale à celle de la gravité terrestre. La comparaison des résultats d'expériences identiques menées à l'aide des deux ensembles de récipients (soit à 0 g et à 1 g) permet de cerner les effets de la gravité. De plus, en comparant les résultats des expériences menées dans l'espace avec ceux d'expériences en tout point identiques menées sur la Terre, on peut mettre en lumière les autres facteurs reliés au vol spatial (rayonnements, vibrations subies lors du lancement, champs magnétiques).

L'ARF est non seulement le laboratoire parfait pour effectuer les travaux de recherche prévus, mais elle offre également la possibilité d'obtenir des enregistrements vidéo et des images microscopiques des animaux, aussi bien en microgravité qu'en conditions de gravité simulée, sans que les spécimens ne soient perturbés. Les degrés de température et les niveaux d'éclairement peuvent en effet être modulés en fonction de l'espèce et de l'expérience. Avantage encore plus précieux, il est possible d'introduire dans un aquarium, pendant une expérience, les produits nécessaires à celle­ci, comme les marqueurs chimiques, sans perturber les expériences en cours dans les autres aquariums. L'instrument est conçu de façon à pouvoir être commandé de la Terre ou par un astronaute. Lors du premier vol, c'est un astronaute qui commandait l'installation, aidé par les conseils que lui transmettaient les scientifiques depuis le centre de contrôle terrestre. D'un faible encombrement (son volume équivaut à celui d'un porte­documents), l'installation occupe un seul casier du compartiment intermédiaire de la navette. Il s'agit d'une des petites charges utiles les plus complexes à voler à bord de la navette.

Les trois expériences sélectionnées pour la mission STS­77, deux canadiennes et une américaine, formaient la base d'une investigation intégrée à l'échelle internationale sur les premiers stades du développement animal, l'écologie marine et la décalcification osseuse. Ces domaines de recherche ont été retenus en raison de l'importance des résultats des travaux pour des applications terrestres.

Ces travaux ont jeté un nouvel éclairage sur les tout premiers stades de l'embryogenèse, notamment sur les cas de dérèglement et d'altération du développement normal. Ils nous ont également fourni des renseignements inédits sur l'épineux problème de la décalcification des os dans l'espace, et nous ont aidé à cerner les modèles alimentaires des organismes formant les maillons de la chaîne trophique marine.

Premiers stades du développement animal
L'expérimentation parallèle en conditions de microgravité et de gravité est propice à l'étude non invasive du processus précis palliant les dérèglements précoces du développement susceptibles d'engendrer des défaillances ou des anomalies. Comme le développement embryonnaire est très semblable chez toutes les espèces, les résultats de ces expériences nous ont permis de déterminer avec précision les stades auxquels sont le plus susceptibles de survenir les dérèglements du développement.

Décalcification
Lorsqu'ils voyagent dans l'espace, les êtres humains et les animaux subissent une décalcification et une perte osseuse. Ces troubles s'apparentent à l'ostéoporose, qui accompagne le vieillissement et s'étale sur plusieurs années. Contrairement à l'ostéoporose, la décalcification induite par les vols spatiaux se manifeste en quelques mois. Les premières transformations au niveau de la cellule peuvent être observées au bout de quelques jours, d'où la possibilité de mettre au point des stratégies de traitement qui seraient inimaginables sur la Terre.

Écologie marine
Les petites espèces aquatiques comme celles qui sont étudiées à l'aide de l'ARF constituent une source de nourriture majeure et un chaînon important de l'écosystème marin, qui fournit aux organismes vivants 40 p. 100 plus de CO₂ (dioxyde de carbone) et de lumière solaire que la forêt tropicale humide. L'étude dans l'espace permet de comprendre l'effet de la densité de l'eau sur la répartition de ces espèces, indépendamment d'autres facteurs comme la température de l'eau et le niveau de lumière. En sachant mieux comment ces animaux, petits mais d'une importance cruciale, se répartissent le long de nos côtes, nous sommes en mesure de mieux prédire le cycle vital des espèces côtières.

Les chercheurs principaux de la mission STS­77 ont conçu des expériences qui ont permis d'étudier les effets de la gravité sur les espèces aquatiques comme les oursins, les étoiles de mer et les pétoncles.

Heidi Schatten, de l'Université du Wisconsin, a étudié les effets de la gravité sur la fécondation et sur les premiers stades de développement. Elle s'est penchée plus précisément sur la fécondation et le développement initial des oursins. Il est établi que, sur la Terre, les espèces aquatiques se développent la tête orientée vers le haut, mais on ne sait ni comment ni pourquoi. M^me Schatten a scruté également le processus de fécondation et les ratés possibles de ce processus. Les expériences menées par M^me Schatten pourraient aidé les scientifiques à comprendre la genèse de l'ostéoporose, de la dystrophie musculaire, de la maladie d'Alzheimer et nous aider à combattre ces maladies.

Bruce Crawford, de l'Université de la Colombie-Britannique, a étudié l'embryogenèse des étoiles de mer jusqu'au stade où elles sont capables de s'orienter et de se nourrir dans le milieu aquatique. Il a tenté de mieux comprendre comment ces animaux utilisent la gravité pour repérer la surface de l'eau. Il étudiera en outre les effets de l'absence de gravité sur la formation des os et du tissu calcifié. Ses expériences nous ont aidé à cerner les premiers stades du développement des animaux, y compris des êtres humains, et à prédire et à corriger, chez les bébés humains, des anomalies congénitales dont la compréhension nous échappait encore. Elles nous ont renseigné en outre sur la façon dont se nourrissent de minuscules espèces aquatiques, et nous ont aidé à mieux comprendre comment nourrir et préserver nos stocks de poissons marins, une importante source de nourriture pour l'homme.

Ron O'Dor, de l'Université Dalhousie, s'est intéressé pour sa part à la décalcification des tissus et aux modèles alimentaires de la larve de pétoncle géant. Une meilleure compréhension du processus de calcification nous a aidé à mieux comprendre le phénomène de la perte osseuse, un véritable problème lors des longs séjours dans l'espace, et qui ressemble énormément aux symptômes de l'ostéoporose ici sur Terre. De plus, le fait de mieux comprendre les effets de la gravité sur l'alimentation et l'emplacement des pétoncles nous donne accès à des données d'une importance cruciale pour prévoir les métamorphoses de la chaîne alimentaire marine et nous aide à prevoir les changements dans leur cycle d'alimentation.

Toutes ces expériences nous fournissent des données importantes sur les premiers stades du développement animal et nous aident à cerner les facteurs susceptibles de dérégler  ce processus. Grâce aux résultats de ces travaux, nous sommes davantage capables de prédire et de comprendre l'alimentation et la distribution de certaines espèces aquatiques au large de nos régions côtières. 

Semiconducteurs organiques minces (ACTORS)

ACTORS était une charge utile placée à bord de la navette spatiale Endeavour, lors de son lancement en mai 1996. Il s'agissait d'un projet de sciences en microgravité du Canada atlantique visant la production de semiconducteurs organiques minces de qualité améliorée par la méthode de dépôt par évaporation sous vide. Ces couches minces se prêtent à diverses applications, notamment en tant que détecteurs de gaz ainsi que dans les ordinateurs, les lasers et le matériel électronique haute performance. Le dépôt par évaporation sous vide consiste à chauffer le matériau (qui se trouve dans le fond d'une ampoule) jusqu'à ce qu'il s'évapore et que les vapeurs se déposent sur un substrat au sommet de l'ampoule.

L'expérience ACTORS était parrainée par le Programme des sciences en microgravité de l'ASC, l'Agence de promotion économique du Canada atlantique (APECA) et le gouvernement du Nouveau-Brunswick. Cette charge utile a produit un nouveau type de semiconducteur organique mis au point par une équipe de l'Université de Moncton, dirigée par le professeur Vo-Van Truong. COM DEV Atlantic a conçu le matériel qui servait à produire ces matériaux dans l'espace, où les effets de la gravité sont négligeables. Si les couches minces formées en conditions de microgravité sont plus lisses, c'est grâce à l'absence du phénomène de convection, qui influe sur les procédés terrestres. Les scientifiques ont pu comparer les couches minces produites en microgravité avec celles produites sur la Terre. De plus, une meilleure compréhension de la méthode du dépôt par évaporation sous vide et du rôle de la gravité dans la formation des couches minces a mené à une amélioration des procédés de fabrication terrestres.

La charge utile ACTORS est l'une des deux expériences Get Away Special (GAS) canadiennes qui ont été réalisées au cours de la mission STS-77. D'autres expériences GAS seront également menées par les États-Unis, l'Allemagne et la Chine. Ces expériences constituent des façons peu coûteuses de mener des travaux de recherche à bord de la navette, car elles sont placées dans la soute et nécessitent un minimum d'interventions de la part des astronautes.

Les charges utiles GAS sont autonomes et entièrement automatisées. Elles sont dotées de leur propre bloc d'alimentation ainsi que de leur propre unité de commande et de collection des données.

Four commercial à zone flottante (CFZF)

Le four commercial à zone flottante (CFZF) est une installation de croissance des cristaux mise au point par l'Agence spatiale canadienne (ASC) en collaboration avec l'Agence spatiale allemande (DARA). Cette charge utile en sciences des matériaux était placée dans le module Spacehab-4 emporté par la navette spatiale dans le cadre de la mission STS-77, menée sous l'égide de l'Office of Space Access and Technology de la NASA. Au cours de cette mission, douze expériences en sciences des matériaux portant sur quatre échantillons ont été réalisées par des scientifiques provenant des trois pays partenaires.

Le CFZF a été conçu de façon à permettre la production et l'étude d'échantillons de plus gros matériaux qui revêtent beaucoup d'importance pour l'industrie. Ainsi, les échantillons d'une grande pureté produits dans l'espace suscitaient un vif intérêt dans l'industrie de l'électronique; la taille de ces échantillons était suffisante pour permettre l'évaluation des procédés de production dans l'espace et pour envisager des améliorations aux procédés terrestres.

Les quatre matériaux choisis pour faire partie de la charge utile présentaient tous un grand potentiel commercial dans les domaines de l'électronique et des télécommunications par fibre optique. Le germanate de bismuth (BGO), un des matériaux étudiés par les scientifiques canadiens, sert de substrat à la prochaine génération de disques laser pour le stockage en mémoire des données générées sur l'autoroute de l'information. L'autre matériau choisi par les scientifiques canadiens, l'arséniure de cadmium et de germanium (CdGeAs₂), est un matériau laser extrêmement efficace qui laisse envisager une diminution des coûts de communications de même que des applications aux lasers chirurgicaux utilisées dans le traitement du cancer. Quant aux deux matériaux choisis par les chercheurs américains et allemands, soit l'arséniure de gallium (GaAs) et l'antimoniure de gallium (GaSb), ce sont des semiconducteurs qui trouvent des applications dans les fibres optiques et les communications cellulaires hyperfréquence.

Fourni par la DARA, le four à miroir ELLI utilisait un champ énergétique rayonnant pour chauffer chacune des minces tiges échantillons jusqu'à une température maximale de 1400 ºC. Cet apport de chaleur a provoqué la fusion d'une mince couche de matériau, laquelle a formé une zone fondue ou flottante à l'interface entre le matériau d'alimentation et le cristal en cours de solidification. Cette technique représente une amélioration par rapport aux techniques de croissance des cristaux au sol, car elle ne nécessite pas de creuset, ce qui a pour effet d'éliminer la contamination du matériau en traitement.

Cette technique était peu utilisée dans les laboratoires au sol. Un des principaux problèmes rencontrés était que de nombreux matériaux présentant un potentiel commercial ont une faible tension de surface, ce qui limite la longueur de la zone flottante à quelques millimètres, au delà desquels la zone fondue s'écrase. Cependant, les expériences en microgravité éliminent ce problème et permettent d'obtenir des cristaux plus gros et d'une plus grande pureté.

L'astronaute canadien Marc Garneau et son homologue de la NASA, Andy Thomas, ont tous deux reçu une formation complète sur le fonctionnement du four, et ils en assuraient la surveillance pendant la mission. C'est toutefois par la station de contrôle « téléscience » qu'étaient traités la plupart des échantillons. Cela signifie que les données et les images transmises par liaison descendante renseignaient les chercheurs principaux du Centre de contrôle de mission de Houston sur le déroulement des expériences. Ces derniers transmettaient à leur tour des commandes par liaison ascendante permettant de reprogrammer les paramètres de fonctionnement du four (p. ex. : la température) ainsi que l'ordre des expériences. Pendant toute l'expérience, des images étaient enregistrées par des caméscopes couleur perfectionnés et par un appareil photo 35 mm de marque Nikon dont le déclencheur étaient actionné à des moments préréglés ou télécommandé depuis la Terre.

Voici le nom des chercheurs principaux et des cochercheurs autour desquels sont regroupées les équipes de recherche :

ASC

• David Quon et Nicola Maffei,
  Centre canadien de la technologie des minéraux
  et de l'énergie (Ottawa, Ontario)
  Daniel Labrie et Vladimir Gelfandbein,
  Université Dalhousie (Halifax, Nouvelle-Écosse)

DARA

• Klaus­W. Benz et Arne Croell,
  Université de Freiburg (Allemagne)

NASA

• Reza Abbaschian et Carlos López,
  Université de la Floride (États-Unis)

Le projet CFZF représentait non seulement une occasion unique de coopération internationale et un moyen économique de mener des recherches dans l'espace, mais il a également servi de modèle pour le partage des ressources en vue de l'exploitation de la Station spatiale internationale. La concertation entre l'ASC, la DARA et la NASA n'était que le prélude à d'autres coopérations envisagées dans le domaine de la recherche en sciences des matériaux en conditions de microgravité.

Semiconducteurs cristallins nanoporeux (NANO-GAS)

L'expérience NANO-GAS visait à produire des cristaux de qualité améliorée appartenant à une nouvelle classe de matériaux évolués désignés semiconducteurs cristallins nanoporeux, dont la structure atomique leur confère des propriétés d'absorption uniques. Parmi les applications de cette nouvelle catégorie de matériaux, mentionnons les lasers haute précision, les ordinateurs et d'autres dispositifs électroniques hautement performants. La charge utile NANO­GAS a été lancée en mai 1996 à bord de la navette spatiale Endeavour.

Parrainée par le Programme des sciences en microgravité de l'ASC, l'expérience consistait à traiter 38 échantillons préparés par une équipe de chercheurs de l'Université de Toronto, dirigée par les professeurs Geoffrey Ozin et David Young. Les échantillons ont été traités dans une chambre de réaction mise au point par COM DEV Atlantic. Le fait de mener ces expériences dans un milieu qui échappe aux effets de la gravité a permis d'obtenir des cristaux nanoporeux plus gros et de meilleure qualité.

Les matériaux nanoporeux qui ont été produits dans l'espace contenaient une multitude de trous minuscules, de la taille d'une molécule, dessinant un motif régulier. En raison de la structure poreuse de ces matériaux, il est difficile de les produire sur Terre selon une structure précise et dans des tailles suffisantes pour qu'ils soient techniquement utilisables. Les gains au chapitre de la qualité sont traduits par un contrôle plus serré des propriétés de ces cristaux, dont découlera un accroissement de leurs performances en tant que composants de dispositifs électroniques. En étudiant les cristaux produits en microgravité, les scientifiques espèrent un jour être capables de produire sur Terre des cristaux nanoporeux améliorés.

La charge utile NANO-GAS est l'une des deux expériences Get Away Special (GAS) canadiennes qui ont été réalisées au cours de la mission STS-77. D'autres expériences GAS ont également été menées par les États-Unis, l'Allemagne et la Chine. Ce type d'expérience constitue une façon peu coûteuse de mener des travaux de recherche à bord de la navette, car elles sont placées dans la soute et nécessitent un minimum d'interventions de la part des astronautes.

Les charges utiles GAS sont autonomes et entièrement automatisées. Elles sont dotées de leur propre bloc d'alimentation ainsi que de leur propre unité de commande et de collection des données.