Durante un esperimento, ogni scienziato sa che isolare i fattori che ne influenzano l’esito è fondamentale. Tuttavia nessun laboratorio sulla Terra è in grado di rimuovere un comune e onnipresente fattore: la gravità. Eliminare la gravità dal sistema equivale ad eliminare il disturbo prodotto da fenomeni come sedimentazione e gradienti di concentrazione e temperatura, dando accesso a nuova scienza che sulla Terra semplicemente non è fattibile.
L’influenza della gravità sui processi chimici
Nella quotidianità è normale dimenticare di essere costantemente immersi nel campo gravitazionale terrestre. Un campo che domina il comportamento dei corpi che possiedono massa, come un aereo che vola, una mela che cade (in testa Newton) e il comportamento che le molecole hanno all’interno di un fluido. Studiare i fluidi significa osservare un piccolo universo fatto di molecole, che si agitano e “fanno le loro cose” in gran caos ma con una direzionalità forzata dalla gravità. In particolare i due fenomeni più influenti per i processi chimici sono la sedimentazione e la formazione di gradienti.
Il concetto di sedimentazione vi risulterà probabilmente familiare: si verifica quando, in una miscela, le particelle più pesanti si separano da quelle più leggere. Immaginate, o provate voi stessi, ad agitare una bottiglia d’acqua contenente sassolini e terra: una volta a riposo, vedrete i materiali depositarsi sul fondo in ordine di densità, dai sassi più grandi agli strati di terra più sottili, lasciando l’acqua in superficie. Un processo forzato dalla gravità che non si può evitare. Un gradiente invece, indica una differenza di una proprietà tra due zone di un sistema. Un disequilibrio, al quale il sistema reagirà per tornare uniforme. Ad esempio l’aria calda tende a salire verso l’alto. Questo produce un gradiente di temperatura che forza il movimento ed il mescolamento dell’aria. Un classico esempio di gradiente di concentrazione è una goccia di colorante in un bicchiere d’acqua: il pigmento tende a diffondersi naturalmente finché la soluzione non diventa omogenea, annullando così la differenza di concentrazione iniziale per raggiungere l’equilibrio.
(Foto NASA)
Come facciamo a eliminare la gravità? Facile, prendiamo un razzo e andiamo nello spazio: destinazione Stazione Spaziale Internazionale.
Cristalli perfetti contro il cancro
La Stazione Spaziale Internazionale è il più incredibile laboratorio scientifico a disposizione dell’uomo. Localizzato a 400 chilometri dal suolo, orbita la Terra ogni 90 minuti, viaggiando alla velocità di 28.000 km/h. Questo luogo, come anticipato, gode di una proprietà unica: l’assenza di gravità (più precisamente definita microgravità). Questo è il luogo giusto per produrre cristalli perfetti. Vedete, durante la cristallizzazione il composto disciolto inizia ad aggregarsi in un cristallo, un processo lento e ordinato. Tuttavia, ogni volta che il cristallo cresce, sottrae un certo numero di molecole dalla soluzione. È come se si creasse un vuoto attorno al cristallo, il gradiente descritto sopra. Questo vuoto viene velocemente riequilibrato, ma non senza danni. Infatti questi movimenti veloci e disordinati fanno sì che la struttura cresca irregolare. In pratica è come cercare di costruire un castello di carte durante un terremoto! Aggiungiamo il fatto che il cristallo crescendo diventa pesante, precipita sul fondo del contenitore per sedimentazione, e da lì stress meccanici e vincoli di spazio non potranno far altro che impedire la formazione di un cristallo perfetto.
Beh, in microgravità questi problemi non esistono. Tra i vari esperimenti condotti al riguardo, un caso di grande rilevanza riguarda la cristallizzazione di una complessa macromolecola conosciuta come Pembrolizumab. Si tratta di un anticorpo monoclonale usato nei trattamenti oncologici. L’esperimento condotto dagli astronauti in collaborazione con i ricercatori della compagnia chimica Merck, ha dimostrato con successo l’efficacia della cristallizzazione in microgravità. I cristalli prodotti sulla Terra purtroppo sono piccoli, irregolari e con tendenza ad ammassarsi. Questo costringe i pazienti ad una lunga somministrazione endovenosa che può durare ore. I cristalli prodotti nello spazio invece sono risultati omogeneii e purissimi.
(Foto NASA)
Una volta riportati a Terra e testati il risultato è stato straordinario. La somministrazione si è dimostrata efficace con una rapida iniezione. Un mondo di differenza per il paziente. La terapia è stata anche approvata dalla FDA. Grazie alla comprensione e i dati ottenuti da questo esperimento è stato possibile migliorare la produzione del farmaco, qui sulla Terra.
Sono sicuro che un giorno saremo capaci di produrre nello spazio su scala industriale. Questa rimane un’eccezionale finestra sul futuro che testimonia quanto incredibile sia il progresso scientifico.
L’esperimento « FLEX »
Il secondo esperimento di cui parliamo tratta di chimica della combustione. Dimenticatevi delle fiamme danzanti e caotiche a cui siamo abituati sulla Terra, perché in assenza di gravità il fuoco diventa simmetrico e perfetto. Il disturbo della convezione non è presente. Nello spazio le fiamme diventano oggetti sferici in cui il comburente (ovvero l’ossigeno) si deve diffondere attraverso il combustibile, alterando il processo e permettendo una valutazione inedita della cinetica di reazione, ovvero la velocità alla quale reagenti si trasformano in prodotti. Tuttavia una sorpresa è arrivata inaspettatamente durante i test dell’esperimento «FLEX».
(Foto NASA)
L’esperimento infatti stava osservando la combustione di piccole goccioline di idrocarburo. Allo spegnimento apparente della fiamma, gli astronauti hanno osservato che il combustibile continuava a consumarsi. La fiamma stava continuando a bruciare senza emettere luce. Il fenomeno è stato definito «fiamma fredda», un tipo di combustione da radicali diversi da quelli della combustione classica. Il seguito dell’esperimento, «FLEX-2», ha spinto i test verso condizioni più simili a quelle che avvengono nei motori, determinando con grande precisione, il limite di estinzione; in pratica il momento in cui la reazione non riesce più a sostenersi e la combustione cessa.
I dati di «FLEX» e «FLEX-2» forniscono un pacchetto di conoscenza inestimabile per la progettazione di motori a combustione molto più efficienti e puliti. In aggiunta, comprendere le combustioni nello spazio è fondamentale per progettare sistemi antincendio che proteggano i futuri astronauti. Per concludere citiamo anche l’ esperimento «FLEX-ICE-GA» che sta per FLEX Italian Combustion Experiment Green Air test condotto dall’Istituto Motori con l’Agenzia Spaziale Italiana volto a studiare nuovi bio carburanti.
(Foto NASA)
Questi sono solo alcuni dei numerosi esperimenti in corso sulla Stazione Spaziale Internazionale. Il campo delle combustioni è particolarmente affascinante e attivo. Se come me sieti interessati ad approfondire, vi invito a visitare la pagina dedicata sul sito della NASA. Concludo sottolineando un concetto molto importante che andrebbe condiviso e celebrato: fare scienza e farla bene è molto impegnativo e molto costoso. Diffidate da chi bolla questi progetti come «lontani» e «inutili» perché come abbiamo visto in questi due esempi, hanno tutto a che fare con noi, la nostra casa il pianeta Terra, il progresso e il benessere di tutti.
Tutte le foto sono di proprietà della NASA e sono utilizzabili secondo le linee guida specificate sul sito ufficiale.