مختبر علوم السوائل

مختبر علوم الموائع هو حمولة علمية أوروبية (تابعة لوكالة الفضاء الأوروبية) مصممة للاستخدام على متن مركبة كولومبوس الفضائية، وقد بنتها شركات ألينيا سبازيو ، و OHB-System ، و Verhaert Design and Development . ^{[ 1 ]} وهو مرفق متعدد المستخدمين لإجراء أبحاث فيزياء الموائع في ظروف انعدام الجاذبية . يمكن تشغيله بشكل كامل أو شبه آلي، ويمكن التحكم به من على متن محطة الفضاء الدولية من قبل رواد الفضاء ، أو من الأرض عبر ما يُعرف بوضع العلوم عن بُعد .

يتمثل الهدف الرئيسي من إجراء تجارب علوم الموائع في الفضاء في دراسة الظواهر الديناميكية في غياب قوى الجاذبية. في ظل انعدام الجاذبية، تُزال هذه القوى بشكل شبه كامل، مما يقلل بشكل كبير من الحمل الحراري الناتج عن الجاذبية ، والترسيب ، والطبقات ، والضغط الساكن للمائع ، مما يسمح بدراسة تأثيرات ديناميكا الموائع التي عادةً ما تحجبها الجاذبية. تشمل هذه التأثيرات انتقال الحرارة والكتلة الخاضع للتحكم الانتشار .

يؤدي غياب الحمل الحراري الناتج عن الجاذبية إلى إزالة الآثار السلبية لتدرجات الكثافة (توزيع الكتلة غير المتجانس) التي تنشأ في العمليات التي تشمل المعالجة الحرارية، والتحولات الطورية، والنقل الانتشارى، أو التفاعلات الكيميائية. يُعدّ الحمل الحراري في العمليات الأرضية عاملًا مُؤثرًا قويًا، ونادرًا ما يُمكن التنبؤ بآثاره بدقة عالية، وهو يُهيمن على انتقال الحرارة والكتلة في السوائل.

لا تزال القدرة على التحكم الدقيق في هذه العمليات محدودة، ويتطلب فهمها الكامل إجراء المزيد من البحوث الأساسية من خلال تجارب نموذجية محددة بدقة لتطوير واختبار النظريات ذات الصلة في بيئة انعدام الجاذبية. من شأن ذلك أن يُسهّل تحسين عمليات التصنيع على الأرض، ويرفع من جودة المنتجات عالية القيمة، مثل أشباه الموصلات .

يشغل مختبر علوم الموائع رف حمولة قياسي دولي بالكامل . يتكون العنصر الأساسي للمنشأة من وحدة التشخيص البصري ووحدة التجارب المركزية ، حيث تُدخل حاويات التجارب وتُشغل بالتتابع. تضم وحدة التشخيص البصري معدات المراقبة البصرية والتداخلية، والإلكترونيات الخاصة بالتحكم بها، ونقاط التوصيل والواجهات للكاميرات الأمامية . تنقسم وحدة التجارب المركزية إلى جزأين:

• يحتوي الجزء الأول على هيكل التعليق لحاويات التجارب ، بما في ذلك جميع الواجهات الوظيفية والمعدات البصرية، وهو مصمم ليتم سحبه من الرف للسماح بإدخال وإزالة حاوية التجارب .
• يحتوي الجزء الثاني على جميع معدات التشخيص والإضاءة والإلكترونيات الخاصة بها للتحكم في المكونات الكهروميكانيكية والبصرية الميكانيكية ومراقبتها . ويكتمل العنصر الأساسي للمنشأة بالأنظمة الفرعية الوظيفية لتوزيع الطاقة، وتكييف البيئة، ومعالجة البيانات وإدارتها.

يجب دمج التجارب في حاوية تجارب مختبر علوم السوائل (FSL EC). بكتلة نموذجية تتراوح بين 25 و30 كيلوغرامًا (55-66 رطلًا) ، وكتلة قصوى تبلغ 40 كيلوغرامًا (88 رطلًا) ، وأبعاد قياسية تبلغ 400 × 270 × 280 ملم (15.7 × 10.6 × 11.0 بوصة)، توفر الحاوية مساحة واسعة لاستيعاب مجموعة خلية السوائل، بما في ذلك أي محفزات عملية ضرورية وإلكترونيات مخصصة.  

يتضمن مختبر علوم السوائل ما يلي لمراقبة التجارب :

• مراقبة بصرية ثنائية المحور مع تصوير إلكتروني ونسخ احتياطي فوتوغرافي عبر كاميرات أمامية توفر تصويرًا عالي السرعة بالإضافة إلى دقة عالية وتسجيل ملون؛
• إضاءة الخلفية والسطح والحجم باستخدام مصادر الضوء الأبيض وأحادي اللون (الليزر)؛
• قياس سرعة الجسيمات بالصور ، بما في ذلك متتبعات البلورات السائلة لقياس السرعة وقياس درجة الحرارة في آن واحد؛
• رسم خرائط حرارية (بالأشعة تحت الحمراء) لأسطح السوائل الحرة؛
• الملاحظة التداخلية في محورين بواسطة مقاييس التداخل القابلة للتحويل مع المحاذاة النشطة:
  • مقياس التداخل الهولوغرافي ؛
  • مقياس التداخل القصي من نوع وولاستون ؛
  • نمط شليرين مقترنًا بنمط القص؛
  • مقياس التداخل الإلكتروني لنمط البقع .

كما ستتوفر على متن الطائرة معدات دعم الطيران مثل قطع الغيار والأدوات الخاصة والمواد الاستهلاكية (مثل مواد التنظيف) والكاميرات الأمامية وأهداف المرجعية البصرية للتجربة والمعايرة التشخيصية لدعم تجارب العملاء.

أُدخلت مؤخرًا عدة تحسينات على مختبر علوم الموائع، نتج جزء منها عن تطورات تكنولوجية جديدة. ومن أبرز هذه التحسينات وحدة إدارة الفيديو الجديدة (VMU) ونظام عزل الاهتزازات في بيئة انعدام الجاذبية (MVIS) الذي طورته وكالة الفضاء الكندية . يمكن للعلماء تفعيل نظام MVIS لعزل التجربة والتشخيصات البصرية (عن طريق الرفع المغناطيسي ) عن اضطرابات التسارع الناتجة عن تسارع الجاذبية في محطة الفضاء . وقد وفرت وحدة إدارة الفيديو بيانات علمية ممتازة خلال مهمة CompGran الأخيرة، التي قام بتركيبها ألكسندر غيرست في يونيو 2018. وسيتم استخدام نظام MVIS لأول مرة في مهمة الغليان المرجعية متعددة المقاييس القادمة التي تبدأ في أغسطس 2019.

يتم تشغيل نظام FSL وفقًا لمفهوم تشغيل الحمولة اللامركزي لوكالة الفضاء الأوروبية. كان مركز MARS ، الكائن في نابولي بإيطاليا ، هو المركز المسؤول عن نظام FSL ، وهو الآن مركز BUSOC البلجيكي لدعم المستخدمين والعمليات ، الكائن في بروكسل ببلجيكا . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

• ديواندر تي، موندورف إتش، تاكوني إم، أليغرا إيه، بينسافالي إي، وينتر جيه. مختبر علوم الموائع وبرنامج حاويات التجارب التابع له على متن كولومبوس. المؤتمر الدولي الرابع والخمسون للملاحة الفضائية. بريمن، ألمانيا، سبتمبر - أكتوبر 2003.
• ديواندر تي، دوبوا إف، كالينز إن، دوبون أو، باسكو إي. المجهرية الهولوغرافية الرقمية للمستحلبات في مختبر علوم السوائل. المؤتمر الدولي للبصريات الفضائية. تولوز، فرنسا. مارس - أبريل، 2004
• ديواندر تي إم، وينتر جيه إل. حاويات التجارب لمختبر علوم السوائل التابع لوكالة الفضاء الأوروبية. المؤتمر الدولي لعلوم الفضاء والمركبات الفضائية 2003، تورنتو، كندا. 2003

^{[ 2 ]}

• 
  صورة ناسا: ISS016E031567 - مختبر علوم السوائل المُثبّت في مختبر كولومبوس. التُقطت الصورة خلال البعثة 16.
• 
  يتم إدخال حاوية التجربة التي ستحتوي على التجربة في مختبر علوم السوائل لتنفيذ البروتوكول العلمي.

• البحث العلمي حول محطة الفضاء الدولية

 تتضمن هذه المقالة مواداً متاحة للعموم من مختبر علوم السوائل (FSL) . ناسا .

• صفحة وكالة الفضاء الأوروبية حول FSL