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Microgravité

Nous sommes tellement habitués aux effets de la gravité que nous ne nous y arrêtons que très rarement. Cependant, ces effets ne sont pas toujours souhaitables, particulièrement dans certaines phases du traitement des matériaux. La pesanteur restreint l'étude des processus physiques qui interviennent dans la fabrication des matériaux et dans la mise en œuvre d'autres technologies. Par exemple, la pesanteur constitue la force motrice des courants de convection (mélange) entre les masses chaudes et froides. Ces courants masquent d'autres phénomènes d'intérêt pour les chercheurs et amoindrissent la qualité d'un produit en empêchant le mélange homogène des éléments qui entrent dans sa composition. Comme les forces masquantes de la gravité sont éliminées en microgravité, les scientifiques peuvent entreprendre des recherches impossibles à réaliser sur Terre.

Les expériences de la Mission Spacelab sur la vie et la microgravité (LMS) traitant spécifiquement de la microgravité visaient l'étude des effets gravitationnels sur la production et la manipulation de certains matériaux. Les recherches ont porté sur les couches fluides en interaction, la stabilité des ponts liquides et le comportement et les propriétés des bulles et des gouttelettes de matériaux particuliers en suspension à l'intérieur d'une enceinte d'essai. Elles se sont intéressées également à la fusion et à la resolidification de matières solides dans le but de mieux cerner les effets de la gravité sur les méthodes de traitement à température élevée. On fera également croître près de 90 échantillons de cristaux de protéines.

Module d'étude des bulles, des gouttelettes et des particules (BDPU) - Les percées dans le domaine du traitement des matériaux présentent un potentiel intéressant pour la production de nouveaux métaux à haute résistance ainsi que de verres et de céramiques à résistance thermique élevée qui pourraient s'appliquer à la construction d'une foule d'installations, allant des centrales électriques aux futurs engins spatiaux. Pour faire progresser la recherche dans ce domaine, il importe de mieux comprendre les processus fluidiques qui interviennent dans la production de la majorité des matériaux. Parmi les plus importants de ces processus, mentionnons la tension interfaciale qui constitue la force agissante entre deux phases immiscibles (liquide/liquide, liquide/gaz, liquide/solide). Sur Terre, le rôle de la tension interfaciale est souvent masqué par d'autres forces induites par la gravité, comme la poussée d'Archimède et la sédimentation.

Quatre chercheurs de la LMS ont utilisé le BDPU pour étudier le comportement des bulles et des gouttelettes dans divers liquides à des températures et concentrations variées de même que leur interaction avec l'interface solide/liquide pendant la fusion et la solidification. Ils ont tenté également de comprendre comment la convection peut être induite par les différences de tension interfaciale entre des couches liquides adjacentes. Le BDPU a également servi à analyser les phénomènes de l'évaporation et de la condensation des bulles et l'effet de champs électriques intenses sur la stabilité de colonnes de liquide en microgravité.

Four perfectionné à gradient - La production des semiconducteurs, qui sont les éléments fondamentaux de l'électronique moderne, repose essentiellement sur le mélange précis des composants selon une structure hautement ordonnée produisant des monocristaux. Bien qu'il soit possible de faire croître des monocristaux quasi parfaits de silicium ou d'autres matières, on ne parvient pas encore à produire sur Terre des semiconducteurs de pointe qui soient exempts de défauts.

Dans les conditions de microgravité de l'espace, il est possible d'éliminer nombre de ces imperfections produites sous l'effet de la pesanteur. Les chercheurs de la LMS ont produit dans le four perfectionné à gradient (GHF) des matériaux et des alliages de semiconducteurs de pointe selon la technique de la solidification directionnelle qui repose sur l'établissement d'une portion chaude et d'une portion froide à l'intérieur d'un échantillon (gradient de température).

La vitesse de croissance constitue un paramètre important de la production de nombreux matériaux. Cependant, il arrive souvent que la vitesse de solidification diffère de la vitesse de déplacement de la cartouche échantillon à l'intérieur du four. En comprenant bien les facteurs qui influent sur la croissance des cristaux, on est parvenu à approfondir nos connaissances générales sur les phénomènes physiques qui interviennent dans le processus de solidification et, par conséquent, on a pu améliorer les techniques de traitement des matériaux sur Terre ainsi que la recherche spatiale dans ce domaine.

Installation perfectionnée de cristallisation de protéines (APCF) - Les conditions qui règnent sur Terre ont une incidence limitative sur la taille et la qualité de plusieurs cristaux de protéines que l'on y fait croître. Cependant, grâce aux conditions de microgravité de l'espace, on estime pouvoir faire croître des cristaux plus gros et mieux structurés. L'installation perfectionnée de cristallisation de protéines est la première à combiner trois méthodes distinctes pour réaliser la cristallisation. D'abord, la diffusion liquide-liquide où, une fois que Columbia est en orbite, on laisse diffuser lentement l'une dans l'autre une solution protéinique et une solution saline initialement séparées par une barrière tampon. Ensuite, la dialyse qui consiste en la séparation d'une solution de protéine et une solution saline au moyen d'une membrane. Enfin, la diffusion de vapeur suivant laquelle des cristaux se forment à l'intérieur d'une gouttelette de solution protéinique tandis que le solvant contenu dans la gouttelette se diffuse dans un réservoir.

Les scientifiques s'intéressent particulièrement à la façon dont les cristaux se forment et aux phénomènes qui en déclenchent la formation. Pour être en mesure de déterminer l'évolution du développement cristallin en microgravité une fois la mission terminée, on a capté la formation des cristaux sur bande vidéo. À leur retour sur Terre, les cristaux ont été analysés à l'aide de rayons X haute précision, de détecteurs perfectionnés et de systèmes de traitement de données qui permettront de déterminer la disposition des atomes qui les composent. La diffraction des rayons X sur les atomes a été analysée par un ordinateur qui a relevé l'emplacement précis de chaque atome. Grâce à ces relevés, les chercheurs ont été en mesure de mieux comprendre l'activité moléculaire de divers processus biologiques, ce qui a donné lieu à de nouvelles applications en médecine et en agriculture.

Accéléromètres - Pour assurer la plus grande précision possible des résultats de la recherche scientifique en microgravité, il importe d'avoir accès à un milieu stable et de faible gravité. Les vibrations produites par l'activité à bord de la navette et par toute la panoplie de pompes, propulseurs, ventilateurs et caméras peuvent avoir des effets négatifs sur la qualité de la recherche.

Ces faibles accélérations et vibrations ont été mesurées à bord de Columbia à l'aide des trois instruments suivants : l'instrument de mesure en microgravité (MMA), le matériel expérimental de recherche sur les accélérations orbitales (OARE) et le système de mesure des accélérations spatiales (SAMS). Grâce à eux, les chercheurs ont recueilli des données sur les facteurs qui perturbent les conditions de microgravité et qui peuvent nuire aux résultats de leurs expériences.