N° 53–2001: Expériences de sciences physiques et de sciences de la vie en microgravité

Les vols paraboliques sont quasiment le seul moyen de reproduire sur Terre les conditions de la microgravité tout en permettant aux chercheurs d'intervenir sur leurs expériences. Au cours d'un vol parabolique, le pilote de l'Airbus A-300 " Zéro-g ", qui vole à une altitude d'environ 6000 mètres dans un couloir aérien spécialement réservé à cet effet au-dessus du Golfe de Gascogne, cabre d'abord l'avion pour lui faire prendre rapidement de l'altitude (jusqu'à 7600 m). Cette manœuvre produit une accélération de 1,8 g pendant une durée d'environ 20 secondes (1 g représentant l'accélération de la pesanteur au sol). Le pilote coupe alors les gaz pour injecter l'appareil sur une trajectoire parabolique. L'avion continue à grimper jusqu'à l'apex de la parabole (8500 m) avant d'entamer sa descente. La chute libre de l'appareil dure environ 20 secondes, pendant lesquelles les passagers flottent librement dans la cabine. Lorsque l'angle de descente est de 45°, le pilote relance les moteurs et cabre à nouveau l'avion pour le replacer en vol horizontal. Cette manœuvre est répétée une trentaine de fois durant chaque vol.

Pendant la campagne de vols paraboliques qui se déroulera du 15 au 19 octobre, l'objectif sera de préparer des expériences qui seront ensuite embarquées sur un satellite russe Photon ou à bord de la Station spatiale internationale. Cette campagne, la 31ème organisée par l'ESA, sera axée sur les sciences physiques, les sciences de la vie et la biologie. Dix expériences, proposées par des équipes internationales de chercheurs, seront conduites : cinq en sciences physiques, trois sur la physiologie humaine et deux en biologie dont l'une sera réalisée par des étudiants.

Les expériences de sciences physiques concernent : la physique des fluides, l'étude des flammes de diffusion dans le cadre d'une expérience de combustion, le plasma et enfin les interactions entre les systèmes de particules cosmiques et atmosphériques (deux expériences), dans le contexte d'un programme de recherche international.

Dans le domaine des sciences de la vie, trois expériences auront pour objet de mesurer des paramètres physiologiques sur des sujets humains et deux expériences de biologie étudieront les mouvements de plantes et de poissons.

Toutes ces expériences ont été revues et choisies par des pairs. La liste des sujets retenus et des chercheurs participant à cette 31ème campagne de vols paraboliques figure ci-après.

La prochaine campagne de vols paraboliques, la 32ème, aura lieu au printemps 2002 et associera expériences de sciences de la vie et de sciences physiques, certaines étant proposées par des étudiants.

D'autres informations sur les vols paraboliques de l'ESA sont disponibles à l'adresse Internet suivante :

http://www.spaceflight.esa.int/users/file.cfm?filename=miss-parafl

Vous pouvez également contacter :

Vladimir Pletser

ESA/ESTEC

Direction des Vols spatiaux habités et de la microgravité

Tél. : + 31 71 565 3316

(+33 (0)5.56.34.05.99 pendant la campagne)

Fax : + 31 71 565 3141

e-mail : Vladimir.Pletser@esa.int

ou

Anna Brueck

ESA/ESTEC

Direction des Vols spatiaux habités et de la microgravité

Tél. : + 31 71 565 5445

Fax : + 31 71 565 4499

e-mail : Anna.Brueck@esa.int

Expériences et chercheurs participant à la 31ème campagne de vols paraboliques de l'ESA :

1." Expériences de modélisation de la diffusion de liquides en microgravité ", Pr G. Frohberg, Dr A. Griesche (Université technique de Berlin, D) et Dr G. Matthiak, Dr R. Willnecker (DLR, Cologne, D). Il s'agit d'étudier les coefficients de diffusion de liquides, qui sont difficiles à mesurer au sol en raison d'autres phénomènes de transport de masse résultant de la convection naturelle induite par la gravité terrestre. En microgravité, les expériences sur la diffusion sont conduites sur des cellules capillaires longues et les coefficients de diffusion peuvent être mesurés par séparation de parties du volume cellulaire après la diffusion. La technique du cisaillement des cellules sera étudiée plus avant sur différents types de cellules, en préparation d'une expérience spatiale qui sera embarquée sur le satellite russe Photon M1 à l'automne 2002.

2." Flammes de diffusion laminaires représentatives des incendies dans les conditions de microgravité ", Pr P. Joulain (CNRS, Poitiers, F) et Dr J.L. Torero (Université du Maryland, Etats-Unis).Cette expérience portée sur l'étude et la caractérisation de la structure des flammes de diffusion laminaires en microgravité. Etudier les flammes de diffusion en l'absence de convection naturelle, laquelle favorise le remplacement des gaz chauds du site de combustion par des gaz froids, permet de mieux comprendre le déplacement des composants chimiques des flammes en microgravité lié à la diffusion uniquement. Une flamme d'éthane soumise à un écoulement d'air forcé dans une chambre de combustion sera observée au moyen de techniques de diagnostic de pointe incluant visualisation par CCD, spectroscopie, mesures de flux rayonné et thermocouples. Le but ultime de cette expérience est de recueillir les connaissances scientifiques nécessaires à l'évaluation de la flammabilité de matériaux en microgravité, de façon à réduire le risque d'incendie à bord des véhicules spatiaux habités.

3." Essais préliminaires pour l'IMPF (International Microgravity Plasma Facility) ", Pr G. Morfill, Dr H. Thomas et U. Konopka (Institut Max Planck, Garching, D).Il s'agit d'étudier la forme et la géométrie de chambres expérimentales récemment améliorées dans lesquelles un plasma complexe (poussiéreux), à savoir un mélange de gaz ionisé et de microparticules, est établi et stimulé par des électrodes radiofréquences. Des phénomènes nouveaux ont été récemment observés lors de vols en microgravité : premièrement, l'interaction des forces électrostatiques de Coulomb transformant le plasma complexe désordonné en fluide ordonné et en phase cristalline ou " plasma cristallisé " ; deuxièmement, une répartition homogène des microparticules dans le plasma. Ces phénomènes et l'incidence de la géométrie et de la forme de la chambre sont étudiés plus avant afin d'améliorer la conception de l'IMPF en vue d'un futur vol à bord de la Station spatiale internationale.

4." Essais d'une installation ICAPS pour l'ISS ", Pr J. Blum et Dr T. Poppe (Université de Iéna, D).Cette expérience a pour objet d'étudier les processus d'agrégation des particules de poussières cosmiques, étape importante dans la formation des planètes de notre système solaire. Des expériences précédentes ont montré qu'en plus des effets mécaniques et électrostatiques, la coagulation magnétique des poussières protoplanétaires se produit rapidement, donnant naissance à des agrégats en quelques secondes. Au cours de cette expérience, on injectera tour à tour des poussières magnétisées et non magnétisées dans une chambre d'agrégation sous vide à l'aide de dispositifs pyrotechniques et mécaniques. Les agrégats de poussières sont visualisés in situ par un microscope et collectés pour analyse ultérieure.

5." Mouvement de particules d'aérosols avec gradients de concentration et de température ", Pr J.C. Legros et Dr A. Vedernikov (Université de Bruxelles, B) et Pr F. Prodi (Istituto ISAO-CNR, Bologne, I). Il s'agit d'étudier les mouvements thermophorétiques de particules en suspension dans un gaz chaud, à savoir le déplacement lié à la quantité de mouvement et d'énergie transmise aux particules par des molécules de gaz les heurtant par leur côté chaud ou froid. Un microscope holographique numérique est utilisé comme principal outil de diagnostic, ce qui permet d'analyser les images en trois dimensions et en temps réel et d'observer des particules d'aérosol de l'ordre du micron. L'étude du mouvement de ces particules dans un gaz aérosol renseigne sur la nature des réactions chimiques se produisant à la surface des particules et permet de mieux comprendre la chimie des systèmes gaz/particules. Ces processus sont importants dans de nombreux domaines techniques (revêtement de surface, épuration des gaz, fabrication de fibres optiques) et de la physique atmosphérique (interaction des gaz atmosphériques avec des gouttelettes d'eau et des particules polluantes).

Les expériences 4 et 5 préparent le développement de l'installation ICAPS qui permettra de réaliser des expériences à long terme à bord de la Station spatiale internationale.

6." Dynamique de la préhension en microgravité et application à la robotique et à la prothétique ", Pr J.L. Thonnard, Dr O. White (Université de Louvain, B).On étudie la coordination entre la main et l'œil, les sujets étant invités à déplacer en rythme un objet qu'ils tiennent à la main. Des études sur la dynamique de la préhension manuelle menées lors de précédentes campagnes de vols paraboliques ont montré que les sujets adoptaient des stratégies différentes selon qu'ils étaient ou non habitués à la microgravité lorsqu'on leur demandait de lever et de baisser le bras en tenant à la main un objet dit manipulandum mesurant la préhension et le mouvement tangentiel des doigts. La présente étude sera axée sur la coordination entre la main et l'œil et sur l'information fournie en retour par l'œil ; pour ce faire, on fera varier la trajectoire du bras et la posture du sujet pendant les exercices. Ces expériences ont des applications en robotique et en prothétique, l'équilibre entre les forces externes s'exerçant sur l'objet et l'effort minimal de préhension étant fondamental pour la mise au point une main robotique habile. A l'avenir, ces travaux pourraient être appliqués à la restauration des fonctions des membres supérieurs pour les personnes handicapées.

7." L'absence de pesanteur entraîne-t-elle une vasodilatation périphérique ? ", Dr P. Norsk (DAMEC, Copenhague, DK). L'objectif est de vérifier l'hypothèse selon laquelle l'absence de pesanteur induit une dilatation du cœur et du système vasculaire périphérique. L'expérience fait suite à une série d'études menées sur des sujets humains au sol, en immersion dans l'eau et lors de précédentes campagnes de vols paraboliques de l'ESA. Selon l'hypothèse retenue, l'organisme disposerait d'un mécanisme lui permettant de dilater le système vasculaire afin de protéger le cœur et le cerveau des conséquences d'une hausse de la tension artérielle provoquée en impesanteur par le déplacement des fluides du bas vers le haut du corps. Au cours de l'expérience, le maintien de la tension artérielle sera mesuré sur plusieurs sujets. On mesurera divers paramètres physiologiques dont le rendement cardiaque par une méthode non invasive, à l'aide d'un dispositif portatif d'échange de gaz spécialement conçu à cet effet.

8." Imagerie de la régulation autonome pendant les vols paraboliques ", Pr M. Moser, Dr D.M. Voica (Université de Graz, Autriche) et Pr A. Noordergraaf (Université de Pennsylvanie, Etats-Unis). Cette expérience consiste à étudier l'adaptation du système nerveux autonome avant, pendant et après les vols paraboliques. Plusieurs séries de paramètres physiologiques seront mesurées sur des sujets humains équipés de deux dispositifs portatifs, le Heartman et le Kymo. Le dispositif Heartman enregistrera la variabilité du rythme cardiaque (HRV) et les modifications de sa structure seront analysées par la méthode de " l'Autonomic Imaging " spécialement mise au point par les responsables de l'expérience. Le Kymo enregistrera pour sa part trois autres paramètres, à savoir la cohérence cardio-respiratoire (lien entre la respiration et le rythme cardiaque), la vitesse du pouls et des ballistocardiogrammes, qui viendront compléter l'analyse des données recueillies par le Heartman.

9." Etude des paramètres physiologiques influant sur l'axe de gravité d'Euglena gracilis ", Pr D.-P. Häder (Université d'Erlangen-Nuremberg, D).Le phénomène de la gravitaxie, à savoir le mouvement d'éloignement du centre de gravité, sera étudié. Au sol, en l'absence d'autre stimulation, le flagelle d'eau douce Euglena gracilis s'oriente à la verticale dans une colonne d'eau. Selon certaines théories, la gravitaxie relève exclusivement d'un effet passif de la poussée d'Archimède. L'expérience étudie si des mécanismes physiologiques sont susceptibles d'intervenir sur l'orientation gravitaxique et si des réactions physico-chimiques à l'intérieur des cellules y contribuent.

10." Poissons volants " par un groupe d'étudiants de l'Université de Lund (Suède).Cette expérience a été choisie sur les 30 expériences embarquées en juillet lors de la quatrième campagne organisée pour des étudiants par le Département Projets éducatifs de l'ESA. Dans cette expérience, plusieurs poissons sont observés dans un aquarium. Deux sources de lumière sont installées au-dessus et en dessous de l'aquarium. On enregistre le comportement des poissons en microgravité au cours de plusieurs paraboles, l'éclairage provenant tantôt du haut, tantôt du bas de l'aquarium. Il semble que les poissons utilisent la lumière comme référence pour s'orienter en l'absence de gravité. L'objectif de l'expérience est d'évaluer si un cadre de référence externe, l'éclairage, peut être utilisé pour stabiliser les mouvements des poissons et pour leur permettre d'avoir des fonctions quasi normales pendant des vols de longue durée, ce qui permettrait à terme de les utiliser comme nourriture pour les astronautes.

 

For further information:

Vladimir Pletser, ESA/ESTEC

Tel: Vladimir.Pletser@esa.int

Fax: + 31 71 565 3141