Sere în spațiu Desprins de gravitație

17 februarie 2020 · Sere în spațiu - asta vrea călătoria spațială. Dar modul în care plantele se ocupă de gravitație și dacă pot prospera fără ea pe termen lung este un mister. Pentru a cerceta acest lucru, oamenii de știință experimentează zboruri parabolice. Lucrezi în suspensie timp de 22 de secunde și de 31 de ori, dar experimentezi și aproape dublul atracției gravitaționale.

Z de la bun început a fost doar o problemă de a ne întoarce. O problemă tehnică, nimic grav. Sub noi, Atlanticul, în fața dreapta Bretania, acum zborul s-a întors spre Bordeaux. Fețe lungi peste tot, iar Dario Ricciardi, îngenuncheat în fața unei cutii de dimensiuni valiză, a pierdut toate zâmbetele. Nu mai exista nici o urmă a entuziasmului său pentru însoțirea experimentului însuși, pe care îl ajutase să-l pregătească de luni de zile în „Laboratorul de gravitate zero” de la Universitatea Goethe din Frankfurt.

Motoarele științei: în stânga este reprezentată silueta unei femei, pe cealaltă parte cea a unui bărbat. sks
Marjorie Guichard, Heidelberg și Maik Böhmer, Frankfurt, lucrează la IMPACT-Box, în care plantele tinere Arabidopsis experimentează diferite forțe gravitaționale într-o parabolă și sunt apoi fixate. Medicii (în albastru deschis și portocaliu) sunt întotdeauna la bord. Novespace
Sistem sofisticat pentru plante delicate: în test, metanolul le pune capăt după o singură parabolă. Foto: Universitatea Zero G.-Lab din Frankfurt

Dimineața devreme, studentul a introdus șaisprezece plăci de descendenți în carcasă, a strâns optsprezece șuruburi fiecare, a început fluxul și a închis sistemul. Chipul său brusc serios a trădat tensiunea. Cu vaga speranță că a treia și ultima zi de zbor ar putea fi totuși un succes. Doar mai tarziu. Poate după-amiază? Era 12 septembrie, joi, chiar după nouă și jumătate dimineața. Ne-am strecurat pe suprafețe tapițate albe până în spatele celor câteva rânduri de scaune pe care tocmai le eliberasem. Cutii misterioase trecute, cu tot felul de butoane, stâlpi, cabluri, benzi adezive, avertismente - tehnologie înaltă, cu flerul de casă, mai mult „Teoria Big Bang” decât „Odiseea spațială”.

Erau proiectele a paisprezece grupuri de cercetare, ale căror mascote atârnau cu tristețe de pereții fără ferestre. Dacă totul ar fi mers conform planului, am fi văzut bufnițe, iepuri, broaște, leneși - o grădină zoologică întreagă de pluș cu avioane de hârtie în aer; legate, altfel ar fi împușcate. Pentru echipa de la Frankfurt, Frédéric, un liliac, a fost la început ca un farmec norocos. Nu pentru prima dată și în primele două zile de zbor ale celei de-a 34-a campanii de zbor parabolice ale Centrului German Aerospațial (DLR), totul a decurs din nou fără probleme, de asemenea, pentru biologii din Frankfurt și cutia lor de plante. După cum se cuvine unei aniversări: DLR desfășoară propriile campanii de zbor parabolice din 1999. Douăzeci de ani de cercetare în greutate - sau cu un efect gravitațional mai scăzut, cum ar fi cel găsit pe lună sau pe Marte. Un Airbus A310 a fost folosit în acest scop din 2015, care a avut primul zbor inițial în 1989 și a fost folosit temporar ca cancelar Airbus „Konrad Adenauer” înainte de a fi transformat în „ZERO-G”.

O parabolă de la început până la sfârșit durează aproximativ trei minute

Începutul greutății

Sfârșitul greutății

Sursa: DLR/F.A.Z.-joth processing, She.

O parabolă de la început până la sfârșit durează aproximativ trei minute

Începutul greutății

Sfârșitul greutății

g = greutate (9,81 m/s²)/sursă: DLR/F.A.Z.-procesare joth., sie.

Timp de douăzeci și două de secunde, gravitația este practic anulată și se parcurge o parabolă perfect controlată. O astfel de fază durează trei minute de la început până la sfârșit, cu un total de 31 pe secvență, cu pauze scurte, de exemplu pentru a regla echipamentul de testare. Pentru aceasta, echipa de patru persoane a căpitanului de zbor Éric Delesalle trebuie să lucreze extrem de concentrat timp de câteva ore: Cei trei din cabină nu numai că trebuie să compenseze turbulența, ci și să zboare unghiurile cu precizie pentru a atinge zero G. Scopolamina, o substanță care ar trebui să ne ușureze trecerea între zero și până la 1,8 g, aproape de două ori forța gravitațională și să prevină greața, dar care poate perturba coordonarea, este tabu pentru ei.

Pentru piloți, cu greu face vreo diferență dacă oamenii de știință sunt la bord sau persoane fizice, a spus Delesalle în după-amiaza primei zile de zbor, ei zboară mai întâi aceleași manevre și siguranță. În afară de asta, pilotul experimentat a glumit că cercetătorii ar trebui să renunțe la un pic de confort, deoarece „performanța” este mai importantă pentru ei decât distracția. Dacă vrei să te distrezi, nu-ți pasă dacă te poți simți fără greutate timp de 18 sau 20 de secunde. Cercetătorii își doresc întotdeauna mai mult, așa că Delesalle este obișnuit cu asta. Plictisitor? Nu, nu va fi niciodată.

Compania franceză Novespace furnizează Airbus în primul rând pentru pregătirea științei sau astronauților pe aeroportul Bordeaux-Mérignac, dar organizează și excursii rezervabile în mod privat în greutate. Un bilet de 6.000 de euro este aproape o afacere, banii beneficiază de știință, care este extrem de complexă, de multe ori mai scumpă și se bazează pe acest A310 special ca hardware, de exemplu cercetători de bază din domeniul roboticii, aerodinamicii, mecanicii fluidelor, călătoriilor spațiale sau neurologie. De exemplu, fizicienii au venit pentru această a 34-a campanie DLR cu echipamente grele pentru a studia plasma prăfuită sau complexă; Medicii spațiali au târât cu ei celulele canceroase de prostată, iar fiziologii plantelor și-au adus propriul incubator.

Listele de verificare sunt păstrate cu meticulozitate: ceea ce este uitat pentru seria de teste din Airbus poate fi uneori împrumutat de la colegii de la Universitatea din Bordeaux, dar într-o călătorie în spațiu nu există alternative, piesele de schimb sunt rare. Și cu cât sistemul este mai stabil - și mai ușor de utilizat, cu atât mai bine. Acest lucru a fost discutat și în săptămâna de pregătire și s-a ajutat reciproc, deoarece indiferent în ce domeniu s-au specializat participanții, toți caută soluții tehnice la probleme surprinzător de similare.

Niciodată nu au apărut probleme mai mari până în acea dimineață de septembrie, parbrizul s-a scufundat deasupra mării și unul dintre straturile sale a format un model de fisură teribil de frumos. Era nevoie de o înlocuire și probabil că vor trece zile înainte ca avionul să poată decola din nou. Duminică, s-a spus, și toate planurile au fost răsturnate. Oricine a putut, a amânat călătoria acasă și stagiul, a extins închirierea de mașini și cazare și a căutat sprijin financiar. Faceți tot posibilul pentru a obține mai multe date și pentru a salva încercările uneori irepetabile. Nicio problemă în cazul plasmei, dar mediul a scăzut pentru celulele canceroase și a însemnat și sfârșitul pentru Dario Ricciardi și IMPACT-Box: 10.000 de plante de o vârstă adecvată nu puteau fi evocate pur și simplu proaspete; Arabidopsis thaliana crește rapid, dar nu a fost suficient timp. Acest experiment ar fi deja încheiat după prima parabolă, injectarea de metanol în câteva secunde ar fi ucis plantele și ar fi păstrat procesele din rădăcinile lor, odată complet desprinse de gravitație.

La urma urmei, eșantioanele din primele două zile de zbor sunt în siguranță în așteptare: „Vor sta în congelator o vreme și o a doua campanie ne-ar putea oferi numărul necesar de replici”, a spus Maik Böhmer de la Universitatea din Frankfurt, descriind pașii următori. „Sau analizăm în mod specific în comparație cu schimbările pe care le-am măsurat pe zborurile parabolice din anii precedenți la plantele de tip sălbatic.” În această zonă de cercetare, înveți să te adaptezi la circumstanțe și să aliniezi analizele cu acestea fără a sacrifica calitatea științifică.

La Bordeaux, speranța era în prezent FLUMIAS. În laboratorul lor improvizat de la Novespace, biologii care călătoriseră din Germania s-au concentrat pe experimentele lor cu un microscop cu fluorescență, deoarece inginerii Airbus responsabili de acest lucru au putut să-și prelungească șederea până în weekend. Obiectele ei nu erau celule individuale sau straturi de țesut: „Asta ar fi inutil cu plantele. Nu vrem să facem cercetări asupra artefactelor, vrem să observăm cum reacționează un organism multicelular ”, a spus Böhmer, explicând obiectivul. Deoarece calciul joacă un rol cheie ca semnal intern, echipa sa și cea a lui Christoph Forreiter din Marburg au testat mutanți speciali pentru a vedea cum gravitatea schimbătoare îi afectează în timpul zborului parabolic. Dacă se eliberează calciu în rădăcină, fluorescența în aceste zone crește, luminează roșu, iar numai în Marburg, acum trebuie evaluate 60.000 de imagini microscopice. Și la Universitatea din Heidelberg, postdoctorul Marjorie Guichard va fi probabil ocupat cu analizele sale pentru o vreme, ca Sandra Thiele la Zero Gravity Lab din Frankfurt.

O lovitură crește în sus, rădăcina în jos. Se știe de mult că plantele nu se orientează doar spre lumină, ci și către gravitație. Aceasta se numește gravitropism, iar boabele de amidon servesc drept statolite și se supun gravitației: „Reacționează la atracția gravitațională, cad în jos. Si apoi, ce? Încercăm să răspundem la această presupusă întrebare simplă ”, spune Böhmer. Știi ce se întâmplă după treizeci de minute sau zile, dar nu știi ce se întâmplă în primele șaizeci de secunde ale reacției: Cum arată începutul cascadei de semnal? Ce receptori, care enzime sunt implicate? Acestea sunt întrebări care îi preocupă pe biologii celulari, deoarece există unele lacune în lanțul de reacție care trebuie închise, de asemenea, în interesul crescătorilor: dacă furtunile deprimă mai des câmpurile în viitor, este util să știm ce ajută plantele să se îndrepte din nou, iar cele adecvate pot fi utilizate în consecință Soiurile sunt căutate și selectate.

Pentru plante, aceasta înseamnă stres, comparabil cu seceta și căldura, iar răspunsul molecular poate fi inițial același în fiecare dintre aceste situații de urgență. Baza nu a fost încă găsită, dar: „Vrem să descifrăm cascada semnalului și să înțelegem cum funcționează interacțiunea proceselor individuale”, spune Böhmer. În timp ce roșiile sunt potrivite pentru testele de căldură, de exemplu, gravitația este examinată folosind modelul Arabidopsisului, acum bine cercetat. Dacă ar fi sensibil să intervină, dacă este necesar, se poate determina numai dacă mecanismele sunt cunoscute. „Nu suntem crescători, dar oferim elementele fundamentale esențiale”, rezumă Böhmer. Dacă, pe lateral, apar soiuri de plante adecvate pentru cultivare cu o greutate mai mică pe lună sau pe Marte, este bineînțeles minunat, dar nu sarcina.

În timp ce Böhmer și colegii săi se dedică întrebărilor fundamentale care nu sunt importante doar pentru călătoriile spațiale, unii oameni de știință solicită ca aceștia să se concentreze asupra plantelor utile. În loc de Arabidopsis, încercați roșiile sau linte în greutate. Inginerul spațial Paul Zabel, de exemplu. El a dezvoltat sisteme de seră pentru spațiu și, prin urmare, a devenit grădinar în Antarctica (vezi „Cu pensula”.). „Motivul pentru care nu cred foarte mult despre modelele de plante este că timpul pentru cercetare - pe ISS - este foarte limitat. Astronauții au alte lucruri de făcut. În plus, există doar spațiu pentru camerele de plante mici și aș prefera să cultiv culturi în ele pentru a aborda probleme specifice. ”Altfel ar trebui să repetați experimentele mai târziu și să comparați mai întâi rezultatele. Nu trebuie să fie grâu sau cartofi, și salatele.

Dacă Marte este ținta la un moment dat, nu există nicio întrebare pentru călătoriile spațiale cu echipaj că cultivarea plantelor ar fi mai mult decât binevenită. Ar fi nevoie de alimente proaspete bogate în vitamine, în timp ce alimentele depozitate își pierd valoarea nutrițională pe termen lung. Plantele ar fi, de asemenea, solicitate ca producători de oxigen, deoarece costurile ar fi enorme dacă un echipaj ar trage de-a lungul a tot ceea ce au nevoie pentru călătoria lor, care durează 500 sau 1000 de zile acolo și înapoi, în funcție de scenariu. Pe mai mult de șaptezeci de metri pătrați ar trebui să crești verdeață pentru a furniza o echipă de trei persoane cu oxigen; dacă s-ar folosi doar lumină naturală, 24 de sere, fiecare câte nouăzeci de metri pătrați fiecare, ar fi necesare pentru a susține o misiune pe șase persoane pe Marte.

Înainte de aceasta, în spațiu trebuie construită o facilitate de cercetare mai ușor accesibilă: „Suntem în curs de proiectare a unei sere pentru lună”, explică Zabel. Acest lucru trebuie creat mai întâi într-un modul spațial tipic și apoi trimis pe Lună. Programul american Artemis a adus brusc mișcarea în călătoriile spațiale, atât din punct de vedere politic, cât și din punct de vedere tehnic. Sau poate în douăzeci. Astronautul Esa, Matthias Maurer, își imaginează o misiune pe Marte cu suficient spațiu pentru experimente, destul de lent și planificat corespunzător decât stabilit în grabă. Este un om de știință al materialelor și ar dori tehnologii durabile pentru o astfel de explorare. Pentru că nu le poți încerca acolo, luna este următoarea țintă pentru teste. „Și ar fi frumos să ai ceva verde cu tine”, spune nativul din Saarland, care nu avea nimic de-a face cu grădinăritul. El va fi următorul german care va zbura în spațiu și se va antrena pentru o misiune pe ISS, unde ar putea fi fericit să poată avea grijă de plante.

Invitat la a 34-a campanie DLR, Maurer explicase el însuși ce se ascundea în spatele unităților de testare izolate. În timp ce astronautul francez Esa Thomas Pesquet făcea parte din echipa pilotului, Maurer a finalizat antrenamentul parabolic ca pasager în a doua zi a zborului. Nu are un deget verde, dar este curios și, ca om de știință, vrea să înțeleagă despre ce este vorba despre un experiment, „nu doar apăsând un buton când zbor în sus”. Fiziologii plantelor au putut, de asemenea, să-i ilustreze proiectele lor FLUMIAS folosind imagini detaliate. Nu trebuie să fii entuziasmat de botanică, conceptul acestei analize microscopice cu fluorescență este suficient de interesant. Unde mai poți vedea vârfuri de rădăcină oscilante sau delicate ale rădăcinii așezate în așchii microfluidice?

Și nu numai oamenii de știință din materiale vor aprecia ingeniosul proces de fabricație al „RootChips”, care a fost dezvoltat de Guido Grossmann la Universitatea din Heidelberg. Folosind fotolitografia, acestea pot fi realizate din silicon moale, astfel încât plantele Arabidopsis care au aproape o săptămână să găsească suficient spațiu. Rădăcinile lor cresc cu câțiva micrometri în timpul zborului și un mediu nutritiv curge prin canalele fine. Mini pompele fabricate special o mențin curgând, oprirea ar influența reacțiile. Plasticul ar fi, de asemenea, nepotrivit ca material de transport: „Colegii noștri de la Heidelberg au încercat-o și au tăiat canalele”, a spus Böhmer. Dar suprafața este prea aspră, rădăcinile ar lovi și ar începe programul de „rănire”. Acuta este mai rea decât gravitația redusă, iar răspunsul ar depăși orice altceva.

Plantele nu cunosc o stare de suspendare, pe parcursul evoluției lor pământul nu și-a pierdut niciodată atracția. Încă poate reuși să urmărească mecanismele care au existat de milioane de ani în decurs de 22 de secunde. Cu toate acestea, al treilea zbor a fost anulat - reparația sa dovedit a fi mai complicată decât se credea inițial. Dar analizele continuă, iar în primăvara anului 2021, compania din Frankfurt își va putea trimite plantele în spațiu cu o rachetă de cercetare. IMPACT trebuie să se micșoreze la dimensiunea unui tambur al mașinii de spălat, biologii sunt recompensați cu cinci minute de imponderabilitate. Faima vine mai târziu. Poate.