Obiettivi degli esperimenti:

Lo scopo della FRSP è quello di testare la tecnica "Frozen Reality" per le esigenze dello spazio e mostrare che essa può essere usata per la ricerca in condizioni di microgravità per il futuro. Molti esperimenti e fenomeni fisici, che si evolvono velocemente, possono essere visualizzati, esaminati e possono anche essere dimostrati scientificamente al profano, ad esempio il fenomeno della tensione superficiale nei liquidi, il comportamento dei proiettili in collisione con altri oggetti, la dispersione o lo sviluppo strutturale di particelle di polvere e molto ancora...

Per qualificare le apparecchiature della FR sotto condizioni di microgravità, saranno realizzati degli esperimenti che potranno contribuire al progresso delle attuali aree di ricerca nel volo spaziale. Uno dei nostri esperimenti avrà a che fare con l'analisi e investigazione delle collisioni - per esempio l'impatto di piccoli oggetti o particelle di ghiaccio sulla superficie dei satelliti o sui pannelli solari; un altro esperimento esaminerà il comportamento dei liquidi sotto condizioni di microgravità e ulteriori fenomeni potrebbero essere testati.

Inoltre un altro grande vantaggio di questi esperimenti è la possibilità che i risultati possono attirare l'attenzione del pubblico verso fenomeni che avvengono in condizioni di microgravità nello spazio mostrando loro foto affascinanti e filmati brevi che potrebbero incantare un gran numero di persone.


Messa in opera dell'esperimento-l'intero impianto:

L'intera attrezzatura consigliata per la messa in opera degli esperimenti sotto condizioni di microgravità (0-G) è descritta nel seguente paragrafo:

Fig. E1: Foto dell’ apparecchiatura progettata per l’acquisizione delle immagini: davanti c’è l’insieme delle macchine fotografiche; sullo sfondo si può vedere il cilindro (fatto di vetro acrilico) in cui gli esperimenti hanno luogo - qua è mostrato un esperimento con un liquido. (Fonte:Florian Maier)

Per eseguire gli esperimenti di “ Frozen reality” nello spazio, sono necessari alcuni cambiamenti nell’attrezzatura per l’acquisizione delle immagini che dovrebbero essere le seguenti:

Prima di tutto, l’intera struttura dell’impianto dovrebbe essere compatta e leggera, evitando zavorra non necessaria, ma fornendo sempre sicurezza e robustezza. Maggior importanza riveste un sistema di trasporto sicuro, una sistemazione e ancoraggio dentro l’aereo stabile e uno svolgimento senza rischi degli esperimenti. In ogni caso, tutti gli esperimenti-esempi devono avere luogo in uno spazio separato per evitare rischi all’equipaggio tecnico e al personale accompagnatore. Inoltre, questo spazio deve essere visibile dall’esterno, cosa che è estremamente importante per l’acquisizione delle immagini. La soluzione a tale problema è un cilindro trasparente di vetro acrilico, che è installato nel mezzo dell’impianto (vedi fig. E1). In questo cilindro di plexiglass, l’esperimento è installato già prima del volo. Il cilindro di plexiglass può essere rimosso, cosicché differenti esperimenti possono essere eseguiti cambiando semplicemente il cilindro di plexiglass che contiene i singoli esperimenti.

Ci saranno delle irregolarità durante il volo e comunque l’assenza assoluta di peso non è possibile (+/- 0.01g), cosicché noi progettiamo di ancorare tutta l’attrezzatura sperimentale ad uno speciale sistema di aggancio in modo tale che esso galleggi quasi. Attraverso questo, le minuscole oscillazioni nella traiettoria parabolica di volo possono essere corrette.

Il cilindro consiste di un modulo di protezione, dove gli esperimenti sono sistemati, e una valvola di scarico conica (4), che è necessaria per gli esperimenti con i liquidi (vedi fig. E2). Quando l’effetto della gravità ritorna, la valvola di scarico assicurerà la rimozione delle sostanze residue provenienti dall’esperimento. Così, il cilindro potrà essere usato diverse volte per un solo esperimento ma con diversi parametri. Durante gli esperimenti con i liquidi, il modulo è attaccato ad una pompa regolabile (2) includente una riserva per il liquido.

Fig. E2: L'immagine descrive in particolarel’equipaggiamento fotografico previsto: in sottofondo c’è l’equipaggiamento fotografico, di fronte tu puoi vedere il cilindro (fatto di vetro acrilico), in cui l’esperimento verrà eseguito. (source: Benjamin Holfeld)

S'intende sistemare il modulo fotografico "Frozen reality" intorno al cilindro trasparente. Diverse macchine fotografiche (in questo caso: 6) sono fissate su di una struttura ad arco assai stabile con le loro lenti tutte dirette verso l’esperimento in corso nel cilindro. Ad una delle estremità del modulo fotografico “Frozen Reality” c'è una macchina fotografica ad alta velocità, che ci mette in condizione di acquisire una registrazione tempo-dinamica in aggiunta alle foto “Frozen Reality” local-dinamiche. Durante gli esperimenti d’impatto, le macchine fotografiche sono attivate da un modulo shock-sensibile (Piezo-crystal), mentre durante gli esperimenti con i liquidi da altri opportuni sensori, che saranno adattati al particolare esperimento in corso.


La sequenza di base dei tests:

Appena l’aereo ha raggiunto il punto di curvatura della sua traiettoria parabolica, inizia un periodo di 20 secondi di microgravità. Durante questo periodo l’esperimento in uno stato di quasi lievitazione - che è solo limitato dalla struttura esterna, avvitata al pavimento dell’aereo per ragioni di sicurezza – sarà allineato in modo tale che esso abbia abbastanza spazio libero per correggere le minime oscillazioni dell’aeroplano e ottenere una fase di assenza di peso la meno problematica possibile.

Quando l’esperimento fluttuante si è stabilizzato, partiranno i test e le foto saranno scattate. Qui noi dobbiamo distinguere due fasi per ciascun esperimento:

Durante la prima parte d’ogni test viene usata una macchina fotografica ad alta velocità (fase1), per registrare la sequenza temporale di funzionamento. Così si ottiene una rappresentazione tempo-dinamica (ma localmente congelata) dell’esperimento durante tutti i 20 secondi del periodo di microgravità, la qual cosa potrebbe essere in particolare interessante per quanto riguarda i test sui liquidi..

Durante la seconda parte d’ogni test è applicata la tecnica "Frozen Reality" (fase 2), allo stesso tempo l’ istante più importante sarà catturato "fotograficamente" (per quanto riguarda i test di frattura, questo è l’istante dell’impatto del proiettile sul nostro campione). Il risultato sarà una rappresentazione local-dinamica di quest’istante. In particolare, processi che evolvono rapidamente devono essere oscurati dall’esterno coprendo l’intero impianto di test prima dell’inizio del test stesso (per esempio con un telo nero), perché l’esposizione ha luogo con l’aiuto di sorgenti luminose ultracorte (emesse dal sopra menzionato circuito d’innesco e/o dal modulo Piezo).

Col ripristino della forza di gravità, l’attrezzatura sperimentale è rinchiusa al sicuro in fondo alla struttura di protezione. Poi l’esperimento può essere possibilmente cambiato (sostituendo il cilindro di plexiglass).

Per testare e qualificare l’impianto sperimentale “Frozen Reality” per lo spazio in un modo estensivo, ci saranno diversi esperimenti di test . Due esperimenti sono già stati progettati (vedi i paragrafi seguenti), ulteriori esperimenti sono in preparazione...

Esperimento test 1 (l’impatto di piccoli proiettili):

L’esperimento è fatto per analizzare il processo d’impatto di piccoli proiettili, per esempio particelle di comete (pezzettini di ghiaccio e polvere), pietre o debris circolanti nello spazio, contro l’intelaiatura di oggetti spaziali artificiali come i satelliti, celle solari, piattaforme spaziali e stazioni spaziali. Comunque, un piccolo proiettile è sparato su di un particolare materiale (per esempio vetro).

Fig. E3: Schematizzazione di base del modulo dell’esperimento per simulare l’impatto del piccolo proiettile. Il proiettile (nero, l’oggetto arrotondato) colpisce una lastra di vetro (grigia). (Fonte :Benjamin Holfed)

Due bracci sono attaccati al modulo di copertura così da fissare la lastra di vetro allo stesso livello delle macchine fotografiche "Frozen Reality". Dopo l’inizio della fase di assenza di gravità il piccolo proiettile è accelerato verso la lastra di vetro da una pompa ad aria compressa.

Prima di questo, però, diverse velocità e la particolare forma delle fratture sono testate in condizioni di gravità sulla terra. La dispersione dei frammenti e la distribuzione della polvere sono particolarmente interessanti mentre si investiga questo fenomeno. Una macchina fotografica ad alta velocità dovrebbe fornire informazioni sui processi d’impatto e i movimenti degli oggetti al passare del tempo.


Esperimento test 2 (esperimento con i liquidi):

Lo scopo dell’esperimento è investigare il comportamento e interazione dei liquidi in assenza di peso. L’aspetto interessante di questo test è l’esame visuale dell’accumulo d’acqua (che è sferico in assenza di peso) in collisione con un proiettile, soprattutto per quanto riguarda l’attesa dispersione a forma d’onda dell’impulso da impatto del proiettile in una palla liquida. In tal modo si potrebbe acquisire delle conoscenze sul comportamento fluidodinamico dei liquidi a seguito di interferenze meccaniche in un serbatoio per liquidi in assenza di peso (ad esempio nella stazione spaziale).

Fig. E4: Modulo sperimentale per esaminare il comportamento dei liquidi : il proiettile (nero di forma arrotondata) colpisce l’accumulo di liquido (blu). (Fonte: Benjamin Holfeld)

Per ottenere una sfera d’acqua solida ed evitare il contatto con il cilindro, è necessaria l’assenza di peso che deve essere stabile quanto più è possibile, la qual cosa dovrebbe essere ottenuta da uno speciale sistema di sospensione in aria dell’apparecchiatura sperimentale nell’aeroplano.

Sono state immaginate tre varianti per la creazione della sfera d’acqua. La generazione della sfera e gli effetti che evolvono mano a mano con la generazione potrebbero essere molto interessanti e saranno registrati usando una macchina fotografica ad alta velocità.

Prima variante: due piccoli tubi sono montati in corrispondenza del modulo di copertura con i loro boccagli posti l’uno di fronte all’altro esattamente. Il piccolo proiettile è collocato nel mezzo del modulo di copertura. I liquidi (acqua, possibilmente con materiali galleggianti colorati) si avvicinano lentamente usando tubi d’approvvigionamento da sinistra e destra. Quei liquidi si devono miscelare e arrestare nel mezzo del cilindro a causa della conservazione del momento della quantità di moto – non tenendo conto d’irregolarità e interferenze.

Seconda variante: alternativamente il liquido potrebbero essere pompato lentamente attraverso uno speciale e singolo tubo nel fondo del cilindro.

Terza variante: la terza variante consiste nel procurarsi un cilindro con superficie idrorepellente , riempita già per un quarto di acqua (vedi Fig. E5.). Per minimizzare la propria superficie e abbassare la propria energia superficiale, il liquido formerà una sfera:

Fig. E5: Variante tre per ottenere una sfera d’acqua solida. Il cilindro è fatto di materiale idrorepellente. Sotto condizioni di microgravità, l’acqua formerà una sfera per abbassare la propria energia superficiale. (Fonte: Benjiamin Holfed)

Il liquido sarà poi attraversato da un piccolo proiettile, accelerato da una pompa ad aria compressa. La prima volta, l’intero fenomeno sarà registrato usando una macchina fotografica ad alta velocità. La seconda volta, i momenti salienti (poco tempo dopo l’impatto) saranno registrati con l’ausilio della tecnica "Frozen Reality". Il risultato sarà una vista tridimensionale dell’impatto, un milionesimo di secondo dopo che esso è avvenuto.

Durante le complessive 60 parabole descritte dall’aereo, ognuna con 20 secondi di microgravità, gli esperimenti possono essere ripetuti con differenti parametri e possono essere eseguiti più esattamente con investigazioni nel dettaglio. Inoltre, esperimenti test aggiuntivi sono già stati progettati, ma essi ancora non sono stati specificati nei dettagli.