Fluid Science Laboratory

The Fluid Science Laboratory is a European (ESA's) science payload designed for use in Columbus built by Alenia Spazio, OHB-System and Verhaert Design and Development.^[1] It is a multi-user facility for conducting fluid physics research in microgravity conditions. It can be operated in fully or in semi-automatic mode and can be controlled on board by the ISSastronauts, or from the ground in the so-called telescience mode.

The major objective of performing fluid science experiments in space is to study dynamic phenomena in the absence of gravitational forces. Under microgravity such forces are almost entirely eliminated thereby significantly reducing gravity-driven convection, sedimentation and stratification and fluid static pressure, allowing the study of fluid dynamic effects normally masked by gravity. These effects include diffusion-controlled heat and mass transfer.

The absence of gravity-driven convection eliminates the negative effects of density gradients (inhomogeneous mass distribution) that arise in processes involving heat treatment, phase transitions, diffusive transport or chemical reaction. Convection in terrestrial processes is a strong perturbing factor, the effects of which are seldom predictable with great accuracy and which dominate heat and mass transfer in fluids.

The ability to accurately control such processes remains limited, and their full understanding requires further fundamental research by conducting well-defined model experiments for developing and testing related theories under microgravity. This should facilitate the optimisation of manufacturing processes here on Earth and improve the quality of high value products, such as semiconductors.

El Laboratorio de Ciencia de Fluidos ocupa completamente un Rack de Carga Útil Estándar Internacional . El Elemento Central de la Instalación consta del Módulo de Diagnóstico Óptico y el Módulo Central de Experimentos, en los cuales se insertan y operan secuencialmente los contenedores de experimentos . El Módulo de Diagnóstico Óptico alberga el equipo para la observación visual e interferométrica, su electrónica de control relacionada y los puntos de fijación e interfaces para las cámaras montadas frontalmente . El Módulo Central de Experimentos está dividido en dos partes:

• La primera parte contiene la estructura de suspensión para los contenedores de experimentos , incluyendo todas las interfaces funcionales y el equipo óptico, y está diseñada para ser extraída del bastidor para permitir la inserción y extracción del contenedor de experimentos .
• La segunda parte contiene todos los equipos de diagnóstico e iluminación y su electrónica de control para gestionar y supervisar los componentes electromecánicos y optomecánicos . El núcleo de la instalación se complementa con los subsistemas funcionales de distribución de energía, acondicionamiento ambiental y procesamiento y gestión de datos.

Los experimentos deben integrarse en un contenedor de experimentos FSL (FSL EC). Con una masa típica de 25 a 30 kilogramos (55 a 66 lb) , una masa máxima de 40 kilogramos (88 lb) y unas dimensiones estándar de 400 x 270 x 280 mm (15,7 x 10,6 x 11,0 pulgadas), el EC proporciona espacio suficiente para alojar el conjunto de la celda de fluidos, incluidos los estímulos de proceso necesarios y la electrónica dedicada.  

Para la observación de experimentos, el Laboratorio de Ciencia de Fluidos incluye:

• Observación visual en dos ejes con imágenes electrónicas y respaldo fotográfico mediante cámaras frontales que proporcionan imágenes de alta velocidad junto con grabación en color y de alta resolución;
• Iluminación de fondo, de lámina y de volumen con luz blanca y fuentes de luz monocromática (láser);
• Velocimetría de imágenes de partículas , incluyendo trazadores de cristal líquido para velocimetría y termometría simultáneas;
• Mapeo termográfico (infrarrojo) de superficies líquidas libres;
• Observación interferométrica en dos ejes mediante interferómetros convertibles con alineación activa:
  • Interferómetro holográfico ;
  • Wollaston - interferómetro de cizallamiento ;
  • Modo Schlieren combinado con modo de cizallamiento;
  • Interferómetro electrónico de patrones de moteado .

A bordo también estarán disponibles equipos de apoyo para el vuelo, como repuestos, herramientas especiales y consumibles (por ejemplo, agentes de limpieza), cámaras frontales y objetivos de referencia ópticos para la calibración de experimentos y diagnósticos, con el fin de apoyar los experimentos de los clientes.

Recientemente se han implementado varias mejoras en el Laboratorio de Ciencias de Fluidos, en parte gracias a los avances tecnológicos. Entre las más destacadas se encuentran una nueva Unidad de Gestión de Vídeo (VMU) y el Subsistema de Aislamiento de Vibraciones en Microgravedad (MVIS), desarrollado por la Agencia Espacial Canadiense . Los científicos pueden activar el MVIS para aislar (mediante levitación magnética ) el experimento y los sistemas de diagnóstico óptico de las perturbaciones causadas por la vibración gravitacional en la estación espacial . La VMU, instalada por Alexander Gerst en junio de 2018, ya ha proporcionado datos científicos de gran calidad durante la reciente Misión CompGran. El sistema MVIS se utilizará por primera vez en la próxima Misión de Referencia de Ebullición Multiescala, que comenzará en agosto de 2019.

FSL se opera según el concepto de operación de carga útil descentralizada de la ESA. El Centro Responsable de la Instalación (FRC) para FSL era MARS , ubicado en Nápoles , Italia , y ahora es el Centro Belga de Soporte y Operaciones para Usuarios de BUSOC , ubicado en Bruselas , Bélgica . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

• Dewandre T, Mundorf H, Tacconi M, Allegra A, Pensavalle E, Winter J. El Laboratorio de Ciencias de Fluidos y su Programa de Contenedores Experimentales en Columbus. 54.º Congreso Internacional de Astronáutica. Bremen, Alemania, septiembre-octubre de 2003.
• Dewandre T, Dubois F, Callens N, Dupont O, Bascou E. Microscopía holográfica digital de emulsiones en el Laboratorio de Ciencia de Fluidos. Conferencia Internacional sobre Óptica Espacial. Toulouse, Francia. Marzo-abril de 2004.
• Dewandre TM, Winter JL. Contenedores experimentales para el Laboratorio de Ciencia de Fluidos de la ESA. ISPS y Spacebound 2003, Toronto, Canadá. 2003

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  Imagen de la NASA: ISS016E031567 - El Laboratorio de Ciencia de Fluidos instalado en el laboratorio Columbus. Imagen tomada durante la Expedición 16.
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  El contenedor que albergará el experimento se introduce en el Laboratorio de Ciencia de Fluidos para la ejecución del protocolo científico.

• Investigación científica en la ISS

 Este artículo incorpora material de dominio público del Laboratorio de Ciencias de Fluidos (FSL) de la NASA .

• Página de la ESA sobre FSL