Yleiskatsaus
NASA:n fysikaalisten tieteiden tutkimusohjelma on antanut panoksensa kahdella eri alalla: ensinnäkin perustutkimuksessa, jossa tutkitaan fysikaalisia ilmiöitä ilman painovoimaa ja maailmankaikkeuden peruslakeja, ja toiseksi soveltavassa tutkimuksessa, joka edistää avaruuden tutkimustekniikoiden perustana olevan perusymmärryksen muodostumista. Näitä tutkimuksia suorittaessaan fysikaaliset tieteet tuottavat tieteellistä perustietoa, yhteiskunnallista hyötyä tuottavia tuloksia ja edistävät avaruusmatkailuteknologian, kuten energiantuotannon ja -varastoinnin, avaruusvoiman, elämää ylläpitävien järjestelmien sekä ympäristön seurannan ja hallinnan, perustana olevaa perusymmärrystä. Kaikki nämä ovat johtaneet parempiin avaruusjärjestelmiin tai uusiin tuotteisiin Maassa.
Keskeisiin tavoitteisiimme kuuluvat:
- Tutkitaan fysiikan peruslakeja käyttäen usein joko mikrogravitaatiota tai planeettojen välisiä etäisyyksiä tutkimusvälineinä
- Tuotetaan mekanistista ymmärrystä prosesseista, jotka ovat perustana avaruustutkimusteknologioille, kuten sähköntuotanto ja -varastointi, avaruuskuljetus, elämää ylläpitävät järjestelmät, ja ympäristön seuranta ja hallinta
- Tukee avaruuspohjaisen tutkimuksen tietämyksen ja teknologian siirtämistä maanpäällisiin järjestelmiin maanpäällisen elämän hyödyksi
- Kehittää huipputeknologiaa avaruuslentotutkimuksen helpottamiseksi
- Edistää avointa tiedettä tiedon jakamisen avulla
Kansainvälinen avaruusasema tarjoaa erittäin toivotun pitkäkestoisen mikropainovoiman olosuhteet, jotka mahdollistavat jatkuvan vuorovaikutteisen tutkimuksen maanpäällisten laboratorioiden tapaan, ja jopa tilastollisen validiuden tarvittaessa. Ohjelma on myös hyötynyt tutkimusyhteistyöstä kansainvälisen avaruusaseman kumppaneiden (Venäjä, Eurooppa, Japani, Kanada) ja yksittäisten avaruusohjelmia toteuttavien ulkomaisten hallitusten, kuten Ranskan, Saksan ja Italian, kanssa.
NASA:n fysikaalinen tutkimus on organisoitu kuuteen tieteenalaan – biofysiikkaan, polttotekniikkaan, kompleksisiin nesteisiin, nesteiden fysiikkaan, perusfysiikkaan ja materiaalitutkimukseen. Lähes painottomassa ympäristössä tehdyt kokeet näillä tieteenaloilla paljastavat, miten fysikaaliset järjestelmät reagoivat lähes poissaolevaan konvektioon, laskeutumiseen tai notkistumiseen. Ne paljastavat myös, miten muut voimat, kuten kapillaarivoimat, jotka ovat pieniä painovoimaan verrattuna, voivat hallita järjestelmän käyttäytymistä avaruudessa. Näistä tutkimuksista saadut tiedot tallennetaan NASAn Physical Sciences Informatics System (PSI) -tietojärjestelmään, ja ne ovat yleisön saatavilla.
Jos olet tutkija ja kiinnostunut saamaan lisätietoja NASAn Physical Sciences -ohjelmasta, ota yhteyttä tohtori Brad Carpenteriin, kun on kyse fysiikan perusasioista, ja tohtori Fran Chiaramonteen, kun on kyse kaikista muista tieteenaloista ja PSI:stä.
Seuraavassa on yhteenveto kuudesta tieteenalasta ja PSI-tietokannasta.
Toteuttaessamme uutta Open Science -mallia meillä on ilo ilmoittaa Physical Science Informatics (PSI) -tietovarasto kansainvälisellä avaruusasemalla (ISS) tehdyistä fysikaalisten tieteiden kokeista. PSI-järjestelmä on yleisön käytettävissä ja avoin. Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden tutkia aiempien lentotutkimusten tuloksia ja laajentaa näin tehtyä tutkimusta. Tämä lähestymistapa mahdollistaa sen, että yhden lentokokeen tiedoista voidaan tehdä lukuisia maanpäällisiä tutkimuksia, mikä kasvattaa tietämystämme eksponentiaalisesti. PSI on myös presidentin avoimen datan politiikan mukainen. Sivusto löytyy osoitteesta http://psi.nasa.gov.
Biofysiikka
Biologiset makromolekyylit | Biomateriaalit | Biologiset materiaalit | Biologinen fysiikka | Biologian nesteet
Kansainvälisen avaruusaseman laboratoriossa NASA kasvattaa täydellisempiä biologisten makromolekyylien kiteitä ja analysoi niitä diffraktiomenetelmällä. Diffraktio kohdistaa kiteisiin valonsäteitä tai hiukkasia ja tutkii sitten sirontakuviota niiden muodostavien molekyylien rakenteen määrittämiseksi. Vetovoiman aiheuttamien nestevirtojen ja sedimentaation puuttuminen avaruudessa aiheuttaa tyypillisesti sen, että kiteet kasvavat hitaammin kuin ne kasvaisivat maanpinnalla, ja vähentää sisäänrakennusvirheitä, minkä ansiosta tutkijat voivat saada parempia diffraktiotietoja.
Combustion Science
Avaruusalusten paloturvallisuus | Pisarat | Kaasumaiset – esisekoitetut ja ei-esisekoitetut | Kiinteät polttoaineet | Ylikriittiset reagoivat nesteet
Yhdysvalloissa polttoprosessit tuottavat noin 85 % toimitetusta energiasta ja ovat olennainen osa monia teollisia valmistusprosesseja. Polttaminen tuottaa kasvihuonekaasuja ja nokea, jotka edistävät ilmaston lämpenemistä ja aiheuttavat merkittäviä terveysongelmia. Combustion Science Program -ohjelmassa tehdään idealisoituja kokeita kansainvälisellä avaruusasemalla, jossa painovoiman poistaminen mahdollistaa sen, että tutkijat voivat tutkia palamisprosessien yksityiskohtia, joita ei voida helposti tutkia maassa. Avaruusaseman ympäristö tarjoaa myös tärkeän testialustan avaruusalusten paloriskin tutkimiseen.
Lisätietoa palamistieteellisestä tutkimuksesta Glenn Research Centerissä
Nestefysiikka
Adiabaattinen kaksivaiheinen virtaus | Kiehuminen ja kondensoituminen | Kapillaarivirtaus ja rajapintailmiöt | Kryogeeninen varastointi ja käsittely
Neste on mikä tahansa materiaali, joka virtaa kohdistetun voiman vaikutuksesta, joten nesteet ja kaasut ovat nesteitä. Niiden liike selittää suurimman osan kuljetuksesta ja sekoittumisesta luonnollisissa ja ihmisen tekemissä prosesseissa sekä kaikissa elävissä organismeissa. Nestefysiikka tutkii nesteiden ja kaasujen liikettä ja siihen liittyvää massan, impulssin ja energian kuljetusta. Tarve ymmärtää paremmin nesteiden käyttäytymistä on luonut monitieteisen tutkimusyhteisön, jonka jatkuvaa elinvoimaisuutta leimaa uusien alojen jatkuva syntyminen perus- ja soveltavassa tieteessä. Kansainvälisen avaruusaseman matalan painovoiman ympäristö tarjoaa ainutlaatuisen paikan tutkia nesteiden fysiikkaa ja kuljetusilmiöitä. Lähes painottomassa tilassa tutkijat voivat tarkkailla ja hallita nesteilmiöitä tavoilla, jotka eivät ole mahdollisia Maassa. Tutkimusalueisiin kuuluvat adiabaattiset kaksifaasivirtaukset, virtauksen kiehuminen ja tiivistyminen, kapillaarivirtaukset ja rajapintailmiöt sekä kryogeenisiin järjestelmiin liittyvät virtaukset.
Lisätietoa Glenn Research Centerin nestefysiikan tutkimuksesta
Kompleksiset nesteet
Kolloidit | Nestekiteet | Vaahdot | Geelit | Granulaariset virtaukset
Mikrogravitaatiokompleksisten nesteiden tutkimusohjelmassa tutkitaan binääriseoksia, jotka koostuvat neste-kiinteä-, neste-neste- tai mallineste-kaasufaaseista. Tutkimusalueisiin kuuluvat kolloidiset järjestelmät, nestekiteet, vaahdot, geelit, emulsiot ja rakeiset virtaukset. Ohjelmaan sisältyy pehmeitä kondensoituneita aineita koskevia aiheita, jotka kattavat erilaisia fysikaalisia tiloja, joita lämpöjännitykset tai lämpövaihtelut muokkaavat helposti. Mikrogravitaatiossa sedimentaatio- ja konvektiopeittovaikutukset poistuvat, joten dispergoituneen faasin ja dispersioalustan vuorovaikutusta voidaan havainnoida aika-asteikolla, jota ei ole saatavilla Maassa.
Lisätietoa Glenn Research Centerin nestefysiikan tutkimuksesta
Fundamental Physics
Avaruuden optinen/atomikello | Ekvivalenssiperiaatteen kvanttitesti | Kylmän atomin fysiikka | Kriittisen pisteen ilmiöt | Pölyiset plasmat
Fysiikan perusohjelmassa tehdään avaruudessa huolellisesti suunniteltua tutkimusta, joka edistää ymmärrystämme fysikaalisista laeista, luonnon järjestämisperiaatteista ja siitä, miten tiedemiehet ja teknologiat voivat manipuloida näitä lakeja ja periaatteita ihmiskunnan hyödyksi Maassa ja avaruudessa. NASA kehittää kansainväliselle avaruusasemalle maailmanluokan kylmäatomilaboratoriota, jonka avulla tutkijat voivat tutkia atomien käyttäytymistä absoluuttisen nollapisteen kymmenen biljoonasosan sisällä. NASA tekee myös tiivistä yhteistyötä eurooppalaisten tutkijoiden ja Euroopan avaruusjärjestön kanssa avaruudessa toimivaa atomikelloyhdistelmää koskevissa tutkimuksissa, kriittisten ilmiöiden tutkimuksessa CNES:n DECLIC-ALI-laitoksessa sekä tulevissa kokeissa, joiden tarkoituksena on tutkia avaruuden monimutkaisia plasmoja ja kvanttitestata ekvivalenssiperiaatetta.
Mikrogravitaatiomateriaalitutkimusohjelmassa tehdään kansainvälisellä avaruusasemalla kokeita, joiden tarkoituksena on parantaa ymmärrystämme materiaalien käsittelystä ja ominaisuuksista. Tätä tieteellistä ymmärrystä sovelletaan sitten maanpäällisiin teollisuusprosesseihin parempien ja/tai halvempien materiaalien aikaansaamiseksi. Avaruusasema tarjoaa yksinkertaistetun ympäristön materiaalien tutkimiseen, koska havaintoihin vaikuttava sedimentaatio- ja poijuvoiman aiheuttama konvektio on lähes olematon. Tämä auttaa tutkijoita selvittämään eri vaikutusten merkitystä materiaaliprosesseissa. Monissa materiaalitieteen kokeissa käytetään Open Science -lähestymistapaa, joka tunnetaan nimellä Materials Lab. Tätä lähestymistapaa kuvataan jäljempänä PSI-osiossa.
Lisätietoa materiaalitutkimuksesta Marshallin avaruuslentokeskuksessa
Lisätietoa materiaalitieteen tutkimustelineestä 1 kansainvälisellä avaruusasemalla
Lisätietoa mikropainovoimatutkimuksen käsinekotelosta kansainvälisellä avaruusasemalla