Η Ομάδα Πολυφασικής Δυναμικής του ΑΠΘ βάζει την έρευνα σε…τροχιά

Η Ομάδα Πολυφασικής Δυναμικής στο Τμήμα Χημείας του ΑΠΘ είναι μέχρι στιγμής η μοναδική στην Ελλάδα που διενεργεί συστηματικά πειράματα σε παραβολικές πτήσεις στο πλαίσιο ερευνητικών έργων χρηματοδοτούμενων από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA). Μέχρι τώρα έχει συμμετάσχει σε 11 καμπάνιες τέτοιων πτήσεων έχοντας κατασκευάσει πρωτότυπες πειραματικές διατάξεις για πειράματα σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας. Η ερευνητική ομάδα δοκιμάζει καινοτόμες τεχνολογίες στο Διάστημα ή σε συνθήκες που προσομοιάζουν με αυτές του Διαστήματος για να τις εφαρμόσει επιτυχώς στη Γη και αντίστροφα. Μια τέτοια δοκιμή ξεκινάει σήμερα

Το ειδικά διαμορφωμένο αεροσκάφος Airbus A310 ξεκινά από το Μπορντό της Γαλλίας με σκοπό να διαγράψει μια διαδρομή σε σχήμα καμπάνας. Επιταχύνει σε απότομη άνοδο και στο υψηλότερο σημείο, κάπου πάνω από τον Ατλαντικό σε ύψος 10 χιλιομέτρων σβήνει τους κινητήρες και αφήνεται κυριολεκτικά στον αέρα. Με την ορμή που έχει, διαγράφει παραβολική τροχιά αρχικά ανεβαίνοντας και στη συνέχεια βουτώντας για συνολικά 20-30 sec, καλύπτοντας μια απόσταση σχεδόν 2 χιλιομέτρων. Οι επιβάτες του αεροσκάφους, που είναι κυρίως επιστήμονες βιώνουν μια απίστευτη εμπειρία απαλλαγμένοι από τα δεσμά της βαρύτητας και καθόλη τη διάρκεια της τροχιάς εντός της ατμόσφαιρας, όπου κυριολεκτικά πετούν, καλούνται να εκτελέσουν μια σειρά πειραμάτων σε δικές τους πειραματικές συσκευές, προσπαθώντας να κατανοήσουν μηχανισμούς και φαινόμενα της επιστήμης που δεν μπορούν να μελετηθούν στο εργαστήριο υπό τη σκιά του γήινου βαρυτικού πεδίου. Για όσους δεν κατάλαβαν, αυτές είναι οι παραβολικές πτήσεις που χρηματοδοτούνται από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA), στις οποίες επιβιβάζονται και Έλληνες επιστήμονες.

«Στο σύντομο διάστημα της κάθε παραβολής δημιουργούνται συνθήκες έλλειψης βαρύτητας που μας επιτρέπουν να κάνουμε πειράματα σε συνθήκες παρόμοιες με αυτές στο διάστημα, στις διατάξεις που έχουμε φέρει από τα πανεπιστήμιά μας και έχουμε εγκαταστήσει στο εσωτερικό του Airbus. Σε κάθε πτήση γίνονται 90 παραβολές!», περιγράφει με ενθουσιασμό ο Καθηγητής Θοδωρής Καραπάντσιος, Διευθυντής του Εργαστηρίου Χημικής & Περιβαλλοντικής Τεχνολογίας και επικεφαλής της Ομάδας Πολυφασικής Δυναμικής στο Τμήμα Χημείας του ΑΠΘ, η οποία μέχρι στιγμής είναι η μοναδική ομάδα στην Ελλάδα  που διενεργεί συστηματικά πειράματα σε παραβολικές πτήσεις στο πλαίσιο ερευνητικών έργων χρηματοδοτούμενων από τον ESA.

Φωτο: Ο καθηγητής Θοδωρής Καραπάντσιος

Οι ερευνητές της ομάδας έχουν συμμετάσχει σε 11 καμπάνιες παραβολικών πτήσεων του ESA έχοντας κατασκευάσει πρωτότυπες πειραματικές διατάξεις για πειράματα απαερίωσης υγρών, σταθερότητας αφρών, βρασμού και πρόσφατα  τηγανίσματος πατάτας. «Μάλιστα έχουμε ήδη πατεντάρει και μια συσκευή τηγανίσματος η οποία εκτελώντας πλανητική κίνηση (δηλαδή περιστροφή γύρω από δύο διαφορετικούς άξονες) τηγανίζει πατάτες μέσα σε 2 min, σε χαμηλότερη θερμοκρασία από τη συνηθισμένη παράγοντας λιγότερο καρκινογόνο ακρυλαμίδιο και αυξάνοντας το χρόνο επαναχρησιμοποίησης του ελαιολάδου», συμπληρώνει ο καθηγητής.

Εκτός από τις αεροδιαστημικές εφαρμογές, η συγκεκριμένη ομάδα έχει να επιδείξει αξιόλογη και αναγνωρισμένη δραστηριότητα και σε θέματα ανάλυσης και επεξεργασίας νερού καθώς και υγρών και στερεών αποβλήτων, για αυτό και συνέβαλε αποτελεσματικά, μέσω της διεπιστημονικής ομάδας επιδημιολογίας λυμάτων του ΑΠΘ, στη διαχείριση της πανδημίας μετρώντας το  επίπεδο της συγκέντρωσης του ιού στα αστικά υγρά απόβλητα της συμπρωτεύουσας. Μάλιστα, το πολύ προχωρημένο φυσικοχημικό μοντέλο που ανέπτυξε έτυχε της προσοχής Γαλλικών, Ολλανδικών και Γερμανικών ομάδων που απέστειλαν μετρήσεις των λυμάτων των χωρών τους προς επεξεργασία βάσει του ελληνικού μοντέλου.

Εμπειρία από το Διάστημα με προορισμό τη Γη

Αυτό στο οποίο επιδίδεται με μοναδικό τρόπο, στην κυριολεξία, η 15μελής Ομάδα Πολυφασικής Δυναμικής είναι η έρευνα και η δοκιμασία καινοτόμων τεχνολογιών σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, προκειμένου να εφαρμοστούν επιτυχώς στη Γη. Μια τέτοια καινοτομική διαστημοσυσκευή που φέρει και την υπογραφή της εκτοξεύτηκε στις 19 Φεβρουαρίου από το Mid-Atlantic Regional Spaceport στο Johnson Space Center της Βιρτζίνια των ΗΠΑ με προορισμό τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, στον οποίο εγκαθίσταται σήμερα και ξεκινά τις πρώτες δοκιμές στο FSL Fluid Science Laboratory του Σταθμού.

Η πειραματική συσκευή που ανέπτυξε η πολυεθνική ομάδα του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA)-της οποίας είναι μέλος και η Ομάδα Πολυφασικής Δυναμικής-και που φέρει τα αρχικά SMD-PASTA (Soft Matter Dynamics – Particles Stabilized Emulsions and Foams), σε συνεργασία με την Airbus θα μελετήσει σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας τη σταθερότητα γαλακτωμάτων, μειγμάτων μη αναμίξιμων υγρών δηλαδή που χρησιμοποιούνται σήμερα ευρέως σε χημικά, τρόφιμα, φάρμακα, καύσιμα, καλλυντικά κ.λπ.

Φωτο: Η διαστημοσυσκευή SMD-PASTA (ευγενική παραχώρηση Airbus)

«Το γαλάκτωμα είναι μίγμα δύο ή περισσότερων υγρών τα οποία όταν έρχονται σε άμεση επαφή δεν αναμιγνύονται αυθόρμητα αλλά διαχωρίζονται σε δύο ή περισσότερες διακριτές φάσεις. Θέλουμε να κατανοήσουμε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σταγόνων κατά την προσέγγιση και σύγκρουση τους καθώς και τον τρόπο διαχωρισμού τους. Οι συνθήκες έλλειψης βαρύτητας προσφέρουν μοναδικό περιβάλλον έρευνας γιατί εξαιτίας της απουσίας άνωσης οι σταγόνες δεν διαχωρίζονται αλλά κινούνται σε συνεχή διασπορά μέσα στην συνεχή φάση που τις περιβάλλει, επιτρέποντας τη μελέτη των φαινομένων αποσταθεροποίησης των γαλακτωμάτων (συνενώσεις, συσσωματώσεις σταγόνων) με μεγάλη λεπτομέρεια και σε διαφορετικές κλίμακες μεγέθους. Απώτερος σκοπός μας είναι να δημιουργήσουμε την απαραίτητη τεχνογνωσία που θα οδηγήσει σε καλύτερα προϊόντα με χρήση λιγότερης ποσότητας σταθεροποιητών και άρα με μικρότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα», διευκρινίζει ο κ. Καραπάντσιος.

Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της συσκευής, η ελληνική ομάδα θα λαμβάνει μέσω δορυφόρου, σε πραγματικό χρόνο, δεδομένα τηλεμετρίας εικόνων υψηλής ανάλυσης των σταγόνων των γαλακτωμάτων μέσα από τη συσκευή SMD-PASTA καθώς και χρονοσειρές έντασης σήματος laser, που παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά των γαλακτωμάτων (μέγεθος σταγόνων, ρεολογική συμπεριφορά).

Ωστόσο, οι συνθήκες έλλειψης βαρύτητας όπου μηδενίζεται η επίδραση της άνωσης δεν είναι ιδανικές μόνο για τη μελέτη της συμπεριφοράς των γαλακτωμάτων, αλλά και για τη μελέτη του βρασμού με μεγάλη λεπτομέρεια και σε διαφορετικές κλίμακες μεγέθους. Σε μια διαφάνεια που μου δείχνει ο καθηγητής φαίνεται ένα διαστημικό λεωφορείο το κάτω μέρος του οποίου πυρακτώνεται λόγω της τριβής με τον αέρα της ατμόσφαιρας κατά την επιστροφή του στη Γη.

Ο ίδιος και η ομάδα του για να μειώσουν την πυράκτωση πρότειναν μια μέθοδο που αξιοποιεί τον βρασμό μέσα σε πορώδη μέσα όπως είναι τα κεραμικά θερμοάντοχα πλακίδια που προστατεύουν το εξωτερικό μέρος των διαστημικών οχημάτων. Επιπρόσθετα, ο υπόψυκτος βρασμός υπό ροή αποτελεί μια από τις βασικές μεθόδους ψύξης θερμικών φορτίων σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, πχ για την αφαίρεση θερμικών φορτίων από ηλεκτρονικές διατάξεις δορυφόρων.

Φωτο: Ερευνητές της Ομάδας Πολυφασικής Δυναμικής γύρω από τη διάταξη βρασμού σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας κατά τη διάρκεια παραβολικών πτήσεων (από αριστερά προς τα δεξιά: καθηγητής Θ. Καραπάντσιος, Δρ. Ι Λιούμπας, Δρ. Σ. Ευγενίδης, Τ. Τσιλιπήρας)

Αυτή τη στιγμή βρίσκεται στο διάστημα η πειραματική συσκευή RUBI  (Referencem Ultiscale experiment for Boiling Investigation), η οποία μεταφέρθηκε με την αποστολή Space X CRS-18, στο πλαίσιο διεθνούς πειράματος που μελετά τον βρασμό ψυκτικών υγρών στο διάστημα: «Στη Γη, η άνωση αλλοιώνει το φαινόμενο του βρασμού (π.χ. παραμορφώνει το σχήμα των φυσαλίδων) και δυσκολεύει την ανάλυση. Στόχος είναι να φέρουμε την δοκιμασμένη στο διάστημα τεχνολογία πίσω στη Γη και να την εφαρμόσουμε σε βιομηχανίες παραγωγής και μετατροπής ενέργειας, στο περιβάλλον, σε βιομηχανίες τροφίμων και χημικών προϊόντων, καθώς επίσης και στις μεγάλης διάρκειας διαστημικές αποστολές του μέλλοντος προς τη Σελήνη και τον Άρη».

Εμπειρία από τη Γη με προορισμό το Διάστημα

Η ερευνητική εμπειρία των μελών της ομάδας στην επεξεργασία νερού και υγρών αποβλήτων χρησιμοποιήθηκε στο διάστημα όταν επί τέσσερα χρόνια η Ομάδα Πολυφασικής Δυναμικής ηγήθηκε μιας διεθνούς ομάδας που χρηματοδοτήθηκε από τη NASA και από τον ESA για να παρακολουθεί την ποιότητα του πόσιμου νερού και των υγρών αποβλήτων στο διεθνή διαστημικό σταθμό.

Αυτό που προβλημάτιζε τους επιστήμονες ήταν το γεγονός ότι παρότι πρόσθεταν στο νερό του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού άργυρο που χαρακτηρίζεται από ισχυρή βιοκτόνο δράση, τα επίπεδά του μειωνόταν ανεξέλεγκτα και χωρίς προφανή εξήγηση, με κίνδυνο το πόσιμο νερό των αστροναυτών να καταστεί ακατάλληλο. «Αφού μελετήσαμε το φαινόμενο αντιγράφοντας στο εργαστήριο τα συστήματα διαχείρισης νερού του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού προτείναμε μια εξήγηση για το τι συνέβαινε και στη συνέχεια διάφορες λύσεις στο πρόβλημα. Ο άργυρος επικάθονταν στα μεταλλικά και πολυμερικά εξαρτήματα του συστήματος διαχείρισης νερού με βάση φαινόμενα ηλεκτροχημικής επικάθησης και προσρόφησης, αντίστοιχα, και έτσι χανόταν η δραστικότητα του ως βιοκτόνο του νερού», εξηγεί ο Έλληνας επιστήμονας.

Εξίσου σημαντική είναι και η ποσότητα του νερού στο διάστημα, καθώς κατά τις διαστημικές αποστολές οι αποστάσεις είναι τέτοιες και τα χρονικά μεγέθη τεράστια που δεν επιτρέπουν τον ανεφοδιασμό των αστροναυτών με πόσιμο νερό. Η  λύση που έχει επιλεγεί είναι η ανακύκλωσή του μεταξύ άλλων από τα ούρα των αστροναυτών και από τα σαπουνόνερα: «Πριν πάνε για επεξεργασία τα λύματα για να γίνουν πόσιμο νερό χρειάζεται να μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια η σύστασή τους σε αμμωνιακά ιόντα που είναι ένα από τα πιο σημαντικά κριτήρια επιλογής μεθόδου επεξεργασίας. Οι τεχνικές μέτρησης που χρησιμοποιούνται στη γη δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας και έτσι προτείναμε ένα καινοτόμο σύστημα, μια συστοιχία παράλληλων διατάξεων για την ακριβή on-line μέτρηση της συγκέντρωσης αμμωνιακών ιόντων στα ανθρωπογενή λύματα σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας», λέει ο Καθηγητής.

Ωστόσο ο ίδιος θεωρεί  ως «ναυαρχίδες» της Ομάδας Πολυφασικής Δυναμικής μια σειρά χρηματοδοτούμενων από τον ESA ερευνητικών έργων, που σχετίζονται με την προσπάθεια 17 ετών για την ανάπτυξη διαγνωστικών τεχνολογιών με χρήση φασματοσκοπίας ηλεκτρικής εμπέδησης. Στα πλαίσια των έργων αυτών αναπτύχθηκε καταρχήν μια τεχνική για την διάγνωση της νόσου αποσυμπίεσης στους αστροναύτες.

Φωτο: Οι διαγνωστικές τεχνολογίες  I-VED και Cor-IS δοκιμάστηκαν  σε προσομοιωμένες συνθήκες εργαστηρίου κατόπιν σε πειραματόζωα και τέλος σε εθελοντές σε νοσοκομεία και σε δοκιμές πεδίου

«Είναι ένα φαινόμενο αντίστοιχο με τη νόσο των δυτών και ο στόχος μας ήταν να δημιουργήσουμε  μια συσκευή που να τοποθετείται στην στολή των αστροναυτών και να ανιχνεύει την εμφάνιση φυσαλίδων στο αίμα τους κατά τη διάρκεια της πολύωρης παραμονής τους μέσα στις ειδικές στολές στα πλαίσια διαστημικών περιπάτων για εργασίες έξω από τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Η συσκευή, την οποία ονομάσαμε InVivo Embolic Detector (IVED), δοκιμάστηκε καταρχάς σε εργαστηριακή διάταξη που κατασκευάστηκε για να προσομοιώσει τη ροή του αίματος στη στεφανιαία αρτηρία και στη συνέχεια διενεργήσαμε πειράματα σε πειραματόζωα (γουρουνάκια). Στο τέλος έγιναν εκτενείς δοκιμές σε δύτες τόσο σε θάλαμο αποσυμπίεσης όσο και σε πειραματικές πισίνες με βάθη μεγαλύτερα των 30 μέτρων στο Βέλγιο, την Ιταλία και την Αμερική . Η συσκευή, η οποία πατενταρίστηκε, καθώς είναι μοναδική, έδειξε ότι μπορεί να ανιχνεύει την ύπαρξη φυσαλίδων στο αίμα και τώρα το μόνο που μένει είναι να δοκιμαστεί και στους αστροναύτες», εξηγεί ο ίδιος.

Σε επόμενα ερευνητικά έργα η τεχνολογία I-VED επανασχεδιάστηκε για να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί στην διάγνωση δυσλειτουργίας του ενθοθηλίου στα ανθρώπινα αγγεία, πρόβλημα που σχετίζεται άμεσα με την ανάπτυξη αθηρωματικής πλάκας και επομένως με την εμφάνιση στεφανιαίας νόσου. Αυτή η καινούργια τεχνική φασματοσκοπίας ηλεκτρικής εμπέδησης ονομάστηκε CorIS (Coronary Impedance Spectroscopy) και κατοχυρώθηκε επίσης, με διεθνή πατέντα.

Μάλιστα, η συσκευή CorIS που μπορεί να συμβάλει στην έγκαιρη διάγνωση της στεφανιαία νόσου έλαβε μια σειρά από πολύ σημαντικές διακρίσεις. Το 2014 απέσπασε το 1ο βραβείο στον διαγωνισμό “Down to Earth Competition” του ESA, και το 2015 το 1ο βραβείο στον διαγωνισμό “Falling Walls Lab in Athens” του Γερμανικού Οργανισμού DAAD ενώ στη συνέχεια συμπεριλήφθηκε στα «Top 100 Breakthroughs of the World» από το Falling Walls Foundation στο Βερολίνο. Το 2017 επιλέχθηκε μέσα στα “Top 100 Entry in Create the Future Design Contest” της NASA. Στην Ελλάδα, στα πλαίσια του διαγωνισμού Ennovation 2018 η συσκευή έλαβε το 1ο βραβείο  στην κατηγορία “Technology Innovation” καθώς και το ειδικό βραβείο “Business Seed” της Εθνικής Τράπεζας.

Η συσκευή έχει αποδείξει την αρχή λειτουργίας (proof of concept), έχει δοκιμαστεί σε ασθενείς  και αυτή τη στιγμή αναζητά χρηματοδότες-funds και μεγάλες εταιρείες από την Ελλάδα και εξωτερικό για να βρει τον δρόμο της προς την αγορά.

Σημείωση: Ο Καθηγητής Θοδωρής Καραπάντσιος είναι εθνικός εκπρόσωπος της Ελλάδας στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA) στον τομέα της Εξερεύνησης του Διαστήματος και των Επανδρωμένων Αποστολών από το 2010, και από το 2021 εθνικός εκπρόσωπος στη Διαχειριστική Επιτροπή «Διάστημα» στο πρόγραμμα Horizon Europe. Επικεφαλής εμβληματικών έργων του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος αναφορικά με το πόσιμο νερό και τα λύματα στον διεθνή διαστημικό σταθμό (2014-2019). Έχει συμμετάσχει σε πάνω από 20 έργα ανάπτυξης τεχνολογίας για διαστημικές εφαρμογές και σε 11 πειραματικές καμπάνιες παραβολικών πτήσεων, με την ερευνητική ομάδα Δυναμικής Πολυφασικών Συστημάτων του Τμήματος, της οποίας και είναι επικεφαλής. Από τον Μάρτιο 2020 είναι συντονιστής της ομάδας επιδημιολογίας λυμάτων του ΑΠΘ αναφορικά με τον προσδιορισμό του ιικού φορτίου και των μεταλλάξεων του ιού SARS-CoV-2 στα λύματα της Θεσσαλονίκης.

Picture credits:Ομάδα Πολυφασική Δυναμικής

 

Μάθετε πρώτοι τα τελευταία νέα
Ακολουθήστε μας στο Google News και μάθετε πρώτοι όλες τις ειδήσεις