Wanneer we denken aan ruimteonderzoek, denken we vaak aan indrukwekkende beelden van planeten, sterren en satellieten, of aan astronauten die buiten het ruimtestation zweven om reparaties uit te voeren. Maar een groot deel van het werk van astronauten bestaat uit iets veel subtielers, maar even belangrijk: wetenschappelijke experimenten. Een van de boeiende onderzoeken die de Belgische astronaut Frank De Winne uitvoerde tijdens zijn missie aan boord van het Internationaal ruimtestation ISS was het Foam Stability-experiment.
Dit experiment richtte zich op een fenomeen dat we allemaal kennen uit het dagelijks leven: schuim. Denk aan schuim in een kop koffie, in scheerschuim, in een cakebeslag of zelfs in isolatiemateriaal. Hoewel het eenvoudig lijkt, speelt de fysica van schuim een cruciale rol in talloze industrieën, van voeding en cosmetica tot chemische en medische toepassingen. Frank De Winne, een Belgisch ruimtevaarder van het Europees ruimteagentschap ESA, verbleef in 2002 en opnieuw in 2009 aan boord van het ISS. Tijdens zijn tweede missie, genaamd OasISS, was hij zelfs de eerste Europese gezagvoerder van het ruimtestation. Tijdens deze missie voerde hij verschillende experimenten uit in opdracht van Europese onderzoeksinstituten, waaronder het Foam Stability-experiment, dat een Belgisch tintje had. Het experiment werd ontwikkeld door het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie (BIRA) in samenwerking met de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en enkele industriële partners. Het doel was om beter te begrijpen hoe schuimen zich gedragen in een omgeving zonder zwaartekracht. Dat klinkt misschien abstract, maar de resultaten kunnen verstrekkende gevolgen hebben voor de manier waarop we materialen ontwerpen en processen begrijpen, zowel in de ruimte als op aarde.
Wat is schuim eigenlijk?
Om te begrijpen waarom dit onderzoek belangrijk was, moeten we eerst even stilstaan bij wat schuim precies is. Schuim bestaat uit gasbelletjes die gevangen zitten in een vloeistof of een vaste stof. Denk bijvoorbeeld aan de belletjes in een zeepbel of het luchtige schuim op een cappuccino. De stabiliteit van schuim hangt af van de balans tussen oppervlaktespanning, zwaartekracht, vloeistofstroming en de eigenschappen van de stoffen die het schuim vormen. Op aarde zorgt de zwaartekracht ervoor dat de vloeistof in schuim langzaam naar beneden zakt. Daardoor worden de gasbelletjes groter en minder stabiel; uiteindelijk stort het schuim in. In de ruimte is er echter geen (of bijna geen) zwaartekracht. Dat betekent dat de vloeistof niet vanzelf naar beneden zakt, waardoor schuim zich heel anders kan gedragen. Wetenschappers wilden precies begrijpen hoe schuim evolueert als de invloed van de zwaartekracht verdwijnt.
Belgisch onderzoek
Het Foam Stability-experiment was een samenwerking tussen verschillende partners, maar de wetenschappelijke leiding lag bij het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie (BIRA). Dit instituut, dat in Ukkel gevestigd is, staat internationaal bekend om zijn onderzoek naar atmosferische fysica, ruimtechemie en vloeistofdynamica. Het BIRA werkte samen met ESA’s Microgravity Science Programme, dat tot doel heeft om fundamentele fysische processen te onderzoeken in omstandigheden die op aarde niet kunnen worden nagebootst. Daarnaast waren ook enkele industriële en universitaire partners betrokken, die expertise aanbrachten in materiaalkunde en vloeistofmechanica. De ontwikkeling van het experiment vergde jaren van voorbereiding. Niet alleen moest de apparatuur veilig en betrouwbaar zijn voor gebruik in de ruimte, maar ze moest ook licht, compact en energiezuinig zijn. Bovendien moesten de resultaten reproduceerbaar en meetbaar zijn in een afgesloten omgeving. Het experiment bestond uit meerdere kleine cassettes of cartridges met vloeistoffen. Elke cassette bevatte een mengsel van water en oppervlakteactieve stoffen (surfactanten), stoffen die de oppervlaktespanning verlagen en schuimvorming mogelijk maken (vergelijkbaar met zeep). In sommige versies van het experiment zaten ook kleine hoeveelheden gas of lucht, waarmee de schuimen konden worden opgewekt. Hoge resolutiecamera's maakten regelmatig foto's om te zien hoe de schuimbelletjes va vorm en grootte veranderden en sensoren maten de licht en druk om te detecteren hoe het schuim zich intern gedroeg. Door de afwezigheid van zwaartekracht zakte de vloeistof niet naar beneden, waardoor het schuim veel langer stabiel bleef.
Voor België was het Foam Stability-experiment niet alleen wetenschappelijk belangrijk, maar ook een bron van nationale trots. Het toonde aan dat Belgische onderzoeksinstituten een sleutelrol kunnen spelen in internationale ruimtevaartprojecten. Het BIRA bevestigde hiermee zijn reputatie als centrum van excellentie in fysisch en atmosferisch onderzoek. Frank De Winne zelf benadrukte tijdens zijn missie hoe belangrijk het is dat kleine landen als België bijdragen aan groot internationaal onderzoek. Zijn rol als uitvoerder van dit experiment maakte hem niet alleen tot een ambassadeur voor de wetenschap, maar ook tot een symbool van samenwerking tussen wetenschap, technologie en ruimtevaart. De hoofdonderzoekers van het Foam Stability (Foam-Stability / FOAM-S)-experiment tijdens de missie van Frank De Winne waren Floris Wuyts (AUREA, Universiteit Antwerpen), Nicolas Vandewalle (Université de Liège) en Hervé Caps (Université de Liège).
De resultaten
De resultaten van het Foam Stability-experiment waren bijzonder interessant en leverden nieuwe inzichten op in de fysica van schuimen. Ten eerste bleek dat schuimen in microzwaartekracht veel stabieler zijn dan op aarde. Doordat de zwaartekracht niet aanwezig is, zakt het vloeistofgedeelte niet naar beneden, en blijven de gasbelletjes langer intact. De schuimen hielden hun structuur soms tot wel tien keer langer dan onder aardse omstandigheden. Daarnaast ontdekten de onderzoekers dat de interne herverdeling van vloeistof binnen het schuim op een heel andere manier plaatsvindt dan verwacht. Zonder zwaartekracht worden de krachten die normaal voor vloeistofstroming zorgen vervangen door diffusieprocessen, waarbij vloeistof zich veel langzamer en gelijkmatiger verspreidt. Dit zorgde ervoor dat schuimen een veel homogener structuur behielden. Een andere belangrijke bevinding was dat de stabiliteit sterk afhankelijk is van de oppervlakteactieve stoffen, dat zijn moleculen die de oppervlaktespanning van de vloeistof verlagen, zoals zeep in water. Door te variëren in concentratie en samenstelling van deze stoffen, konden wetenschappers beter begrijpen hoe schuimen kunnen worden ontworpen die langer stabiel blijven, zelfs op aarde.
Hoewel het experiment vooral fundamenteel onderzoek was, zijn de toepassingen zeer concreet. De inzichten uit het Foam Stability-experiment kunnen bijdragen aan betere productieprocessen in verschillende sectoren:
- Voedingsindustrie: verbeterde schuimstructuren in producten zoals slagroom, bier, brooddeeg en chocolademousse.
- Cosmetica: stabielere emulsies en crèmes die langer hun textuur behouden.
- Materiaalwetenschap: ontwikkeling van schuimachtige materialen met gecontroleerde porositeit, bijvoorbeeld voor isolatie of lichtgewicht constructies.
- Chemische industrie: efficiëntere scheidingsprocessen waarin schuimvorming een rol speelt.
In de ruimte zelf kunnen de resultaten ook nuttig zijn. In een omgeving zonder zwaartekracht kan het gedrag van schuimen invloed hebben op brandstofsystemen, waterzuivering en de opslag van vloeistoffen. Door beter te begrijpen hoe gas en vloeistof zich mengen en scheiden, kunnen ingenieurs betrouwbaardere systemen ontwerpen voor toekomstige ruimtemissies.
