När Europa firar 20 år av ESA-astronauter på den internationella rymdstationen, ett ryskt-europeiskt experiment har pågått tyst i det viktlösa forskningscentret lika länge:Plasma Kristall (PK) svit av undersökningar av grundläggande vetenskap.

Plasma Kristall tar en plasma och injicerar fina dammpartiklar i viktlöshet, omvandla dammet till högladdade partiklar som interagerar med varandra, studsar av varandra när deras laddning får partiklarna att attrahera eller stöta bort. Under rätt förutsättningar, dammpartiklarna kan ordna sig över tiden för att bilda organiserade strukturer, eller plasmakristaller.

Dessa interaktioner och bildandet av tredimensionella strukturer liknar hur vår värld fungerar på atomär skala, en värld så liten att vi inte kan se röra sig ens med ett elektronmikroskop. Lägg till en laser till blandningen och dammpartiklarna kan ses och registreras för observation av forskare på jorden för en smygtitt av världen bortom våra ögon.

Dessa surrogatatomer är ett sätt för forskare att simulera hur material bildas i atomär skala, och att testa och visualisera teorier. Experimentet kan inte köras på jorden eftersom tyngdkraften bara gör att vi hänger, platta rekreationer möjliga; om du vill se hur en kristall är uppbyggd måste du ta bort kraften som drar nedåt - gravitationen.

Den 3 mars 2001 "PK-3 Plus" slogs på i Zvezda-modulen, det första fysiska experimentet som kördes på rymdstationen. Under ledning av det tyska flygcentret DLR och den ryska rymdorganisationen Roscosmos blev experimentet en framgång och följdes senare upp av en fjärde version, installerades 2014 i ESA:s Columbus-laboratorium, denna gång som ett samarbete mellan ESA och Roscosmos.

Planet föreställningar

Genom att ändra parametrarna i PK-4, som att justera spänningen eller använda större dammpartiklar, atomdubbelgångarna kan simulera olika interaktioner. Komplexa fenomen som fasövergångar, till exempel från gas till vätska, mikroskopiska rörelser, uppkomsten av turbulens och skjuvkrafter är välkända inom fysiken, men inte helt förstådd på atomnivå.

Använder PK-4, forskare över hela världen kan följa hur ett föremål smälter, hur vågor sprids i vätskor och hur strömmar förändras på atomnivå.

Omkring 100 artiklar har publicerats baserade på plasma Kristall-experimenten och den kunskap som erhållits hjälper också att förstå hur planeter bildas. Vid sitt ursprung var vår planet Jorden förmodligen två dammpartiklar som möttes i rymden och växte och växte in i vår värld. PK-4 kan modellera dessa ursprungsmoment som de är under uppfattningen av planeter.

Den enorma mängd data som PK-4 skapar är så enorm att den inte kan laddas ner via rymdstationens kommunikationsnätverk, så hårddiskar skickas fysiskt till rymden och tillbaka med terabyte av information. Experimentet körs från Toulouse, Frankrike, vid CNES rymdorganisations verksamhetscenter Cadmos.

Astrid Orr, ESA:s samordnare för fysikaliska vetenskaper noterar "PK-4 är ett bra exempel på grundläggande vetenskap gjord på rymdstationen; genom internationellt samarbete och långsiktiga investeringar lär vi oss mer om världen omkring oss, på minutskalan såväl som på den kosmiska skalan.

"Kunskapen från PK-experimenten kan direkt appliceras på forskning om fusionsfysik - där damm måste avlägsnas - och bearbetning av elektroniska chips, till exempel i plasmaprocesser inom halvledar- och solcellsindustrin. Dessutom, miniatyriseringen av tekniken som krävs för att utveckla Plasma Kristal används redan i plasmabaserad medicinsk utrustning för sjukhus.

"PK-experimenten tar upp ett stort antal fysiska fenomen, så banbrytande upptäckter kan hända när som helst."