Infrarood camera van FLIR Systems op speurtocht naar zuivere kristallen

Een infrarood camera van FLIR Systems vormde de spil in experimenten rond de vorming van kristallen in de ruimte. Hoewel de kristalvorming in gewichtloze toestand niet de mate van zuiverheid opleverde die wetenschappers verwachtten, toonde het FLIR camera systeem aan waarom veel van soortgelijke experimenten in de ruimte mislukten. Thermografie voorkwam verder zoeken in de (dure) verkeerde richting.

Aanleiding voor het wetenschappelijk onderzoek is de vraag vanuit, bijvoorbeeld de elektronica industrie, naar zeer zuivere kristallen. De zwaartekracht op aarde introduceert oneffenheden in de kristalgroei. Buiten de invloed van de zwaartekracht zouden deze oneffenheden derhalve moeten uitblijven, dacht men. Dankzij waarnemingen met een infrarood camera van FLIR Systems hebben wetenschappers onvermoede verschijnselen waargenomen in het stromingsgedrag van vloeistoffen. Dit gedrag beïnvloedt de kristalgroei op negatieve wijze.

De FLIR infrarood camera was een onderdeel van FLUIDPAC (Fluid Physics Facility), een pakket instrumenten speciaal ontwikkeld voor het uitvoeren van fysische experimenten en het waarnemen van het gedrag van vloeistoffen in de ruimte. FluidPack maakte deel uit van de wetenschappelijke lading van de internationale missie 12 van de Russische ruimtecapsule Foton. Bijna 50% van de payload was afkomstig van het European Space Agency (ESA). De doelstellingen van FluidPac, voor het eerst in de ruimte, waren vooral gericht op het waarnemen en meten van specifieke thermo-capillaire verschijnselen langs een vrije vloeistof-gas overgang. Deze verschijnselen werden met een infrarood camera van Flir systems vastgelegd.

“Kennis van de mechanismen van warmte overdracht binnen vloeistoffen en de temperatuurverdeling aan het oppervlak zijn van belang voor het inzicht in kristallisatieprocessen”, legt Antonio Verga, verantwoordelijk voor de payload van wetenschappelijke instrumenten bij ESTEC, uit. Hij is werkzaam bij het directoraat van de European Space Agency (ESA) voor bemande ruimtevluchten en microzwaartekracht bij het European Space Technical Centre (ESTEC) in Noordwijk. “Lange tijd verwachtte men in gewichtloze toestand zeer zuivere kristallen te kunnen vervaardigen. Na het uitvoeren van een hele reeks proeven met FluidPack, werd duidelijk dat dit een verkeerde veronderstelling was. Onze wetenschappers constateerden dat er ondanks de afwezigheid van de verstorende invloed van zwaartekracht onregelmatigheden in de kristalgroei voorkwamen. Het was van groot belang dat de experimenten ons een verklaring gaven waarom dit het geval was”.

De FLIR infrarood camera kon een discontinuïteit waarnemen in het temperatuurverloop van het oppervlak. In soortgelijke experimenten op de grond geeft de camera exact de isotherme ringen weer en laat zien dat zij in geordende concentrische cirkels convecteren.

“Bij een van onze experimenten (Magia van de universiteit van Giessen, Duitsland) konden we deze overgang naar chaos waargenomen”, vertelt Verga. “Dit hadden we nooit eerder waargenomen. “Alleen de infrarood camera kon deze verschijnselen waarnemen; de interferrometers aan boord registreerden het effect niet. Het komt zelden voor dat je een zo duidelijk beeld gepresenteerd krijgt van een verschijnsel dat een omwenteling in het onderzoek teweeg brengt. Mijn collega-wetenschappers konden niet genoeg krijgen van de fraaie beelden die terug naar de aarde werden gezonden”

De convectie in gewichtloze toestand wordt veroorzaakt door de oppervlaktespanning. Deze oppervlaktespanning is de kracht die een vloeistof tot vloeistof maakt; de spanning aan het oppervlak houdt evaporatie tegen zodat de vloeistof als het ware bij elkaar gehouden wordt. (een zeepbel is een duidelijk voorbeeld van oppervlakte spanning). Op aarde maskeert de zwaartekracht de thermo-capillaire effecten van de oppervlakte spanning.

Dankzij de waardevolle bijdrage aan het onderzoek zal de FLIR camera een integraal deel vormen van FluidPack bij de volgende Foton missie van het ESA programma (eind 2002).