Ett recept för att förstå atomära strukturer:

• Blanda elektriskt laddad gas i en försluten behållare med partiklar så små att de skulle passera genom ett kaffefilter.
• Uppträda i den viktlösa miljön på den internationella rymdstationen.
• Justera spänningen för att observera hur partiklarna bildar tredimensionella kristallstrukturer.
• Börja låsa upp fysiken bakom atomernas beteende.

Detta är en del av formeln för Plasma Kristall, den längsta experimentserien i den mänskliga rymdflygningens historia och resultaten från den senaste kampanjen kommer att återvända till jorden nästa vecka i Soyuz-rymdfarkosten med ESA-astronauten Alexander Gerst.

Receptet kommer från ett europeiskt-ryskt samarbete som har lagats långsamt sedan 1998. Efter att ha kört på paraboliska flygningar, raketer som låter och rymdstationen Mir, experimentet fann ett nytt hem på den internationella rymdstationen 2001.

Vår värld består av atomer och molekyler, men även med det mest kraftfulla mikroskopet kan vi inte se dem röra sig i vätskor eller fasta ämnen. Genom att köra experiment i viktlöshet kan forskare få ny inblick i atomernas interaktion genom att använda små plastpartiklar som beter sig som atomer.

"Det är inte möjligt att göra denna forskning på jorden - Plasma Kristall modellerar atomiska interaktioner i större skala, gör deras rörelse synlig för oss, "förklarar Hubertus Thomas, ledande forskare av detta experiment vid German Aerospace Center, DLR.

Hubertus har följt plasmaforskning i mikrogravitationsexperimentet när den första besättningen anlände till rymdstationen och slog på den. Nyligen, ett problem med ventilen som reglerar gasflödet tvingade fram en 18-månaders paus. Med en nyrenoverad ventil, Plasma Kristall-4 (eller PK-4) återupptog verksamheten förra månaden.

Fullmaktsatomer tillbaka till vetenskapen

En plasma är en elektriskt laddad gas, ungefär som blixtnedslag, som sällan förekommer på jorden. Det anses vara materiens fjärde tillstånd, skiljer sig från gas, vätskor och fasta ämnen.

"Vi exciterar partiklarna med hjälp av elektriska fält, en laser och temperaturförändringar för att flytta dem i plasma, säger Hubertus.

Dessa manipulationer gör att proxyatomerna interagerar starkt, som leder till organiserade strukturer - plasmakristaller. Partiklarna i PK-4 är gjorda av plast och binder till varandra eller avvisar varandra precis som atomer gör på jorden i en vätska.

"Genom att justera spänningen över experimentkammaren kan vi skräddarsy deras interaktioner, och observera varje mikropartikel individuellt och som i slow motion, "förklarar Hubertus. Med PK-4, forskare över hela världen kan följa hur ett objekt smälter, hur vågor sprids i vätskor och hur strömmar förändras på atomnivå.

Den senaste science run omfattade fasövergångar, mikroskopiska rörelser och skjuvkrafter. Skjuvkrafter är ett mycket hett ämne inom grundläggande fysik. Dessa krafter driver en del av en kropp i en specifik riktning, och en annan del i motsatt riktning, som till exempel lufttrycket längs fronten på en flygplansvinge.

Plasmas framtid

Denna forskning är främst lärobokskunskap för framtida forskare och ingenjörer. "Om du hade frågat Einstein vad hans relativitetsteori var till för, han skulle aldrig ha svarat att det var att bygga ett navigationssystem för din mobiltelefon, "påpekar Hubertus.

Ett team av forskare har redan använt sig av kunskapen från den tekniska utvecklingen av detta rymdexperiment för att designa plasmaapparater för desinfektion av sår vid rumstemperatur. Denna revolution inom vården har många praktiska tillämpningar, från livsmedelshygien till behandling av olika typer av hudsjukdomar, rening av vatten och lukthantering.