Rózsa és tűzgömbök: kísérletek a Columbia fedélzetén

A Columbia űrrepülőgép fedélzetén gőzerővel zajlanak a tudományos kísérletek. Ezekből mutatunk be három érdekességet: a rózsák, a ketchup és a mikrogravitáción kialakuló lánggömbök főszereplésével.

Sokan tapasztalták már, hogy az üvegből nagyon nehezen jön ki a mártás, ezért alaposan megrázzák, mire egyszerre híg szósz ömlik mindenre. A ketchup túl sok, eltérő tulajdonságú alapanyag elegye, ezért laboratóriumi kísérletekkel nem tudjuk feltárni a rendkívüli viselkedés okait, az elméleti fizika szép tiszta egyenletei pedig még távolabb vannak a paradicsomos mártás ragacsos valóságától. A vizsgálandó jelenség, a nyíróhatásra való hígulás más anyagoknál is fellép.

A folyadékok többségének nem változik a viszkozitása nyíróhatásra, de egyesek, pl. a tejszínhab, a vér vagy a körömlakk a ketchuphoz hasonlóan nyíróhatásra hígulnak. Normál állapotban mézsűrűek, de keverés vagy rázás hatására felhígulnak. Más folyadékoknál a hatás éppen ellentétes, a nedves beton nyíróhatásra sűrűsödik. Nyírásnak vagy csúsztatásnak, némi pontatlansággal, azt az alakváltozást nevezik, melynek során az erő hatására a folyadék részei elcsúsznak egymáson. A hétköznapi jelenség megértésétől még messze vagyunk, mert nem ismerjük eléggé a folyadékban molekuláris szinten zajló kölcsönhatásokat. Bonyolítja a helyzetet az is, hogy egyes folyadékok minden külső beavatkozás nélkül, az idő múlásával változtatják sűrűségüket, a mindennapi gyakorlatban nem könnyű a nyíróhatásra és az idő hatására beálló változásokat megkülönböztetni, szétválasztani egymástól.

A feladatot tehát le kell egyszerűsíteni. A bonyolult összetételű ketchup helyett válasszunk valami tiszta anyagot, pl. egy nemesgázt, a xenont. Egyszerűsítsük tovább a feladatot, és küszöböljük ki a gravitációt is - hisz amiatt csorgott az üvegből lefelé a lé.

Az űrrepülőgép fedélzetén csaknem nulla a gravitáció. A xenon normál nyomáson -108 Celsius-fokon cseppfolyósodik folyadékká. A kísérletben nagyobb nyomást és magasabb hőmérsékletet állítanak be. Úgy választják meg a paramétereket, hogy a xenon egyszerre legyen jelen gáz- és folyadékfázisban, tehát egyik része folyadék, a többi gáz. Olyan, mint az őszi köd, abban is parányi folyadék- és gáztartományok váltakoznak. Ebben a különleges állapotban az egyszerű folyadékok is képesek nyíróhatásra hígulni. Földfelszíni körülmények között azonban nem marad fenn ez a gáz- és folyadékelegy a teljes térfogatban, a tömegvonzás hatására a nagyobb cseppek lefelé mozognak, alul jóval nagyobb lesz a sűrűség, mint fent. Ha nem erre a mechanizmusra vagyunk kíváncsiak, akkor jobb az egészet kiküszöbölni, ezért vitték fel a kísérletet a Columbia űrrepülőgép mikrogravitációs körülményei közé.

Az űrállomás fedélzetén beállítják a kritikus állapothoz tartozó nyomás- és hőmérséklet-viszonyokat, majd egy kis robotgép kevergetni kezdi a xenonmintát. A paramétereket lépésről lépésre változtatják. Például megvizsgálják, hogyan hat a hőmérséklet változtatása a nyíróhatások miatt fellépő hígulásra. Magasabb vagy alacsonyabb hőmérsékleten gyorsabb-e a hígulás? Természetesen változtatják majd a mintára kifejtett hatásokat, a keverés sebességét, a keverés mennyiségét. Ügyes megoldással maga a keverőlapát méri eredményt, a hígulás mértékét is. Ahogy a xenonfolyadék hígul, úgy lesz a keverőlapátnak egyre könnyebb a dolga, egyre kisebb ellenállásba ütközik, ez pedig pontosan mérhető.

Jéki László