Cum s-a născut și cum a ajuns pe orbită primul laborator spațial românesc. „E uimitor cât de motivată a fost echipa”

Ce este și ce face DropCoal

Întâi de toate, să clarificăm o posibilă confuzie. Luate separat în engleză, cuvintele drop (a renunța) și coal (cărbune) pot sugera că e un proiect care are ca scop renunțarea la utilizarea cărbunelui. Experimentul nu are absolut nimic de-a face cu subiectul acesta.

DropCoal e o prescurtare de la droplets (picături) și coalescence (coalescență), în traducere coalescența picăturilor. Adică experimentul urmărește să observe fenomenul fizic prin care două picături de lichid se ciocnesc și apoi se unesc într-una singură. 

Fenomenul este studiat de multă vreme, dar evoluția tehnologiei permite azi ca experimentele să fie făcute în condiții extreme. De aceea, Agenția Spațială Europeană a selectat acest proiect pentru a-l trimite pe Stația Spațială Internațională. Acolo, în imponderabilitate, picăturile de lichid nu mai sunt deformate de atracția gravitațională așa cum se întâmplă pe Pământ.

Laboratorul generează două picături perfect sferice, iar o cameră înregistrează întregul proces, pe care mai apoi cercetătorii îl studiază pentru a vedea cum se rupe „bariera” celor două picături și cum se contopesc pentru a forma una singură. 

Laboratorul măsoară 40cmx10cmx10cm și cântărește aproximativ 10 kilograme. Conține, printre altele, ace de seringă prin care sunt generate picăturile de apă, trei rezervoare cu lichid – unul de 50ml și două de câte 20ml, pompe care permit transferul de lichid din rezervor către ac și camera care filmează la o rată de 8.000 de cadre pe secundă.

Drept comparație, imaginile pe care le vedeți la televizor sunt filmate la o rată de 24 de cadre pe secundă.

Cu alte cuvinte, camera de pe DropCoal e capabilă să înregistreze mult mai multe detalii, care ulterior sunt vizionate cu încetinitorul. Și, chiar și așa, echipa științifică spune că procesul de coalescență este atât de rapid încât tot nu se poate studia mai rafinat. Ar fi fost nevoie de un obiectiv și mai puternic, dar, din cauza spațiului limitat, a trebuit făcut un compromis. 

DropCoal funcționează independent de astronauții de pe Stația Spațială Internațională, al căror rol a fost să-l monteze și va fi să-l demonteze, la final, din nișa în care este amplasat. În rest, tot ce se întâmplă este operat de la sol. Echipa de ingineri dă comenzile pentru efectuarea experimentelor, iar echipa de cercetători primește imaginile, analizează fenomenul și trage concluziile. 

Pentru a înțelege cât mai bine care e valoarea științifică a acestui proiect și ce reprezintă el pentru cercetarea și ingineria din România am stat de vorbă cu cele două echipe românești participante la acest proiect și cu reprezentanții Agenției Spațiale Europene, care au lucrat ca manageri de proiect pe partea științifică, respectiv tehnică a primului laborator spațial românesc.

Măgurele, locul nașterii DropCoal

Nu e un fapt dovedit științific, dar clădirile decrepite din centrul orașului Măgurele, care adăpostesc una dintre cele mai mari densități de cercetători pe metru pătrat din țară, par că sunt ținute la verticală doar datorită entuziasmului oamenilor care studiază și muncesc aici. 

Mihai Boni are 37 de ani și este coordonatorul echipei științifice din spatele proiectului DropCoal. În biroul său din clădirea INFLPR privește atent, alături de colegul său Ionuț, un monitor unde două sfere de apă se ciocnesc cu încetinitorul. Sunt imagini filmate în laboratorul românesc de pe Stația Spațială Internațională unde sunt în derulare experimentele.

Picături de apă și etanol de diverse dimensiuni se ciocnesc iar și iar, la diferite viteze, pentru a le permite oamenilor de știință să le studieze interacțiunea. Sigur, nu pare chiar scenariul celui mai captivant film SF, dar este încununarea a mai bine de un deceniu de eforturi care au dus comunitatea științifică din România pe frontispiciul cercetării mondiale. 

Laboratorul a ajuns pe SSI la începutul lunii noiembrie anul trecut, la bordul unei capsule Dragon fără echipaj uman a companiei Space X și a fost pus în funcțiune cu ajutorul astronautului american Don Pettit, un veteran al misiunilor spațiale, chimist și inventator.

Acest experiment nu ar fi ajuns pe orbită dacă nu credea în importanța lui Agenția Spațială Europeană, care l-a selectat dintre multe alte proiecte pentru a-l finanța și a-l trimite pe SSI. Acest lucru s-a întâmplat în 2019, când echipa științifică de la institutul din Măgurele parcursese deja mai multe etape ale studierii coalescenței a două picături de lichid.  

Din momentul în care ESA a selectat proiectul, echipa românească, alături de colaboratori de la Universitatea Tehnică Darmstadt din Germania și de la Universitatea Carnegie Mellon din SUA, a intrat sub coordonarea lui Sebastien Vincent-Bonnieu, de la Directoratul pentru Explorare Umană și Robotică al Agenției Spațiale Europene.

Într-un interviu pentru Panorama, reprezentantul ESA a menționat calitatea științifică a proiectului și a echipei de cercetători printre criteriile pe baza cărora s-a făcut departajarea. 

„Coalescența picăturilor de lichid este un domeniu de cercetare foarte dinamic pentru că prezintă o varietate de aplicații. E vorba despre un mecanism destul de complex, iar în ultimii 20-30 de ani știința a evoluat destul de mult în acest domeniu. Iar motivul pentru care am ales să-l studiem în microgravitație, unde am început să facem experimente destul de recent, este pentru că nu se pot face pe Pământ la nivelul acesta”, a explicat Sebastien Vincent-Bonnieu. 

Cine, ce, de ce, cum?

„Toți oamenii îmi spun <<Ok, și după aceste șase luni de zile, la ce veți aplica acest lucru, ce veți revoluționa?>> Nu știu, s-ar putea să nu revoluționăm nimic. Sau s-ar putea să revoluționăm. Dar cu siguranță vom adăuga încă un punct pe curba cunoașterii”, spune, într-un dialog cu Panorama, cercetătorul Mihai Boni. 

Pentru cercetători important e răspunsul la întrebările „cum și de ce?”. Cum și de ce se ciocnesc și se contopesc picăturile de lichid în felul în care o fac și nu altfel?

Agenția Spațială Europeană completează cu răspunsurile la întrebarea „pentru ce?”. Pentru industria farmaceutică, pentru motoarele pe combustie, pentru chimie, pentru sistemele de menținere de vieții de pe SSI și de pe orice vehicul spațial cu care vom călători în cosmos sunt câteva dintre exemplele menționate de Sebastien Vincent-Bonnieu.

Pe scurt, în orice domeniu în care se folosesc lichide, cunoașterea felului în care se contopesc picăturile va încuraja progresul. Orizontul e uriaș și va aduce beneficii și altor oameni de știință. Mihai Boni vorbește despre importanța conexiunilor transfrontaliere.

„Colaborările aduc progres, nu vrem să ne închidem într-o cameră și (proiectul – n.r.) să fie doar al nostru sau doar al meu. Vreau să arăt ce am descoperit ca să validez și să fiu validat mai departe”.

Portretul oamenilor cu care ESA își dorește să lucreze

Mihai Boni a preluat coordonarea proiectului cam la jumătatea perioadei de realizare de la profesorul Mihail Lucian Pascu.

La cei 79 de ani, acesta vorbește cu atâta pasiune despre știință încât îți vine să te înscrii a doua zi la Facultatea de Fizică. El a fost cel care a format echipa de cercetători care mai apoi a înaintat proiectul DropCoal către Agenția Spațială Europeană.

Într-un interviu pentru Panorama, a explicat la ce întrebări vrea să găsească răspunsuri prin intermediul acestui experiment.

„În spațiu, apa nu stă într-un pahar, poate uda sau nu niște pereți, când și cum îi udă nu știm, e o chestie aleatorie și vrem să vedem dacă nu cumva putem stăpâni procesul asta. Să faci ca apa să fie într-un fel sau suprafețele să fie într-un fel”, spune profesorul Pascu.

Cu o experiență în cercetare care se întinde pe parcursul a mai bine de jumătate de veac, a ocupat vreme de cinci ani și funcția de ofițer științific al Comisiei Europene unde avea ca domenii de interes medicina, sănătatea, fizica și mediul înconjurător.

Interesul său pentru îmbunătățirea tehnicilor medicale prin folosirea laserilor i-a adus colaborări cu unii dintre cei mai apreciați medici din România.

Nu întâmplător consideră că rezultatele acestui experiment vor clarifica unele dintre misterele administrării de medicamente în spațiu, când tehnologia le va permite oamenilor să călătorească dincolo de orbita Pământului.

„Am medicamentele, dar cum aplic tratamentul? Sub formă de picături, bine și picătura trebuie să cadă pe piele și dacă nu stă? Îi fac injecție, dar ce se întâmplă în organism? Lucrează în organism, în spațiu așa cum se întâmplă pe Pământ? Pentru că acolo n-ai accelerație gravitațională”, detaliază profesorul Mihail Pascu. 

Dovada că și în România se poate

Marea provocare a proiectului a fost miniaturizarea experimentului. În laboratorul de la Măgurele, un experiment similar e întins pe o masă, orice parametru poate fi ajustat pe parcurs.

În schimb, pentru Stația Spațială totul trebuie să se încadreze într-o cutie de 40cmx10cmx10cm și nu se poate interveni în niciun fel. Totul e controlat de la sol, așadar dacă vreunul dintre elementele componente dă greș, nu se mai poate face nimic. 

Presiunea aceasta a fost pe umerii inginerilor de la Romanian InSpace Engineering. Biroul lor este la mai puțin de 200 de metri de INFLPR în clădirea Institutului de Fizică Atomică. După ce ESA a selectat experimentul echipei științifice, a căutat ingineri care să-l pună în practică. Concursul a fost câștigat de RISE, o companie românească înființată în 2017. Mugurel Bălan este unul dintre cofondatori, are 42 de ani și pe ultimii 20 i-a dedicat proiectelor spațiale. Este printre inginerii care au contribuit la realizarea primului satelit artificial românesc, Goliat, lansat în 2012. 

Își amintește că la începuturile carierei sale a avut șansa, alături de alți colegi de facultate, să se angajeze la compania americană Lockheed Martin care, pe lângă armament, produce și echipamente aerospațiale.

Tentația a fost mare, dar dorința de a face ceva notabil în România a fost mai puternică.

„Am adunat o echipă de peste 30 de oameni în care eu, la 42 de ani, sunt un boșorog. Media de vârstă e 26-27 de ani. Sunt oameni foarte bine pregătiți cu care putem să abordăm chestiuni de o complexitate foarte ridicată. Poate acum 20 de ani în 2 ani un astronaut ar fi ținut în mână o chestie făcută de noi, de mine și de colegii mei de atunci, la Lockheed Martin. Dar acum astronautul acela ține în mână nu ceva făcut doar de mine, acești 30 de oameni au fiecare câte o bucățică din viața lor acolo. Asta reprezintă de fapt forța. Dacă 30 de oameni au reușit să facă asta, pot să răstoarne munții”. 

Unul dintre oamenii despre care Mugurel Bălan vorbește cu atâta admirație este Claudiu Cherciu, 34 de ani, inginer de sistem și om bun la toate. Explorarea spațială e un subiect care nu-i dă pace încă din liceu când participa la concursuri de proiectare a unor colonii în jurul Pământului. Apoi a fost atras de robotică și de-a lungul timpului și-a trecut în CV numeroase colaborări cu ESA și NASA.

Spune că o misiune spațială are nevoie chiar și de 10 ani de pregătire. Ei au reușit să o finalizeze în trei. „Cea mai mare provocare din punct de vedere tehnic”, își amintește Claudiu Cherciu, „a fost să ne încadrăm în dimensiunile totale ale experimentului 40x10x10, pentru că am înghesuit foarte multe în acel volum, cea mai mare dificultate fiind camera pentru că un singur model s-a potrivit”.

Lungul drum către Stația Spațială Internațională

La lansare, laboratorul a fost calibrat să poată executa 560 de experimente în cele șase luni la bordul SSI. Până la începutul lunii februarie fuseseră executate cu succes în jur de 10%. „Apar tot felul de probleme pe care nu le-am luat în calcul. De exemplu, apare aer într-o picătură sau o picătură e prea mare, partea de experimente care trebuie repetate a fost subestimată pentru că e prima dată când facem astfel de operații cu obiecte pe care nu le putem ajusta”, explică inginerul RISE.

„Experimentul nostru este semiautomat. Soft-ul pe care l-am dezvoltat la RISE ne permite să stabilim niște parametri. După ce i-am ales, aceștia se transmit către SSI unde avem un alt computer, acela stochează parametri și când îi dăm start începe execuția și din acel moment nu mai putem interveni. El își duce secvența până la capăt. Se va opri singur dacă găsește o eroare. Are o secvență de pași, primul este să formeze picătura până ajunge la diametrul setat și dacă știe că picătura nu a fost generată în timp de cinci secunde atunci se oprește ca nu cumva să inunde interiorul. Atunci operatorul de la sol preia controlul și ia de la capăt toată procedura. Dar dacă totul merge bine, la final avem filmulețul pregătit pentru download de pe Stația Spațială”, detaliază Claudiu Cherciu.

Acel filmuleț ajunge la echipa științifică, iar ei o analizează și trag concluziile. 

Cofondatorul Romanian InSpace Engineering spune că experiența DropCoal, care a presupus lucrul continuu cu experții în diverse domenii ai agenției europene, i-a arătat care e cel mai valoros atu în această industrie. 

„Cunoștințele în sine le găsești în cărți, <<meșteșugul>> de a construi ceva e foarte greu de obținut”,  mărturisește Mugurel Bălan.

Până la momentul lansării în spațiu, marea victorie a proiectului DropCoal a fost trecerea cu succes prin toate testele de siguranță impuse de NASA pentru ca laboratorul să fie plasat în partea locuită de astronauți pe Stația Spațială Internațională. 

„După ce am primit aprobarea după al treilea nivel de siguranță de la NASA, în mai puțin de două ore cei de la ESA ne-au trimis un mail și ne-au spus: Din câte știm sunteți singura companie din Europa de Est care a trecut o astfel de evaluare. Se cheamă că aveți know-how-ul și tehnologia necesare de a construi obiecte pentru Stația Spațială care sunt sigure la bordul stației”, își amintește Mugurel Bălan.

Matteo Tacconi a fost managerul de proiect desemnat de ESA să se ocupe de partea tehnică a experimentului DropCoal. Recunoaște că au fost multe constrângeri inclusiv legate de buget, dar și de timp. Când trage linie vede laboratorul spațial românesc drept un succes.

„Și dacă reușeau să facă numai câteva experimente, tot ar fi fost suficiente pentru ca misiunea să fie considerată un succes. 10% pentru mine înseamnă că experimentul este valid, conceptul e foarte bun, iar compania este excelentă”, a declarat Matteo Tacconi pentru Panorama. 

Meritele celor de la RISE sunt cu atât mai importante cu cât, adaugă Matteo Tacconi, „experimentul este unul destul de complex, pe o scară de la 1 la 10, aș spune undeva la 6-7 ca nivel de complexitate, realizat cu resurse destul de limitate”. 

Se pregătește un al doilea laborator spațial „Made in RO”

La finalul celor șase luni de experimente laboratorul românesc poate avea una dintre cele două sorți, fie va fi adus înapoi pe Pământ pentru a fi studiat, dar acest lucru presupune costuri de circa 100.000 de dolari, fie va deveni deșeu spațial și va arde în atmosferă, scenariul cel mai probabil.

Dar cele două unități de stocare care i-au fost atașate și pe care au fost înregistrate toate experimentele vor fi predate echipei științifice.

Pe baza succesului proiectului pentru Stația Spațială Internațională, Agenția Spațială Europeană a decis să continue experimentul cercetătorilor de la Institutul pentru Fizica Laserilor în microgravitație și a contractat RISE pentru realizarea unui al doilea laborator, de data aceasta complet automat, care va fi lansat la bordul unei capsule NYX fără echipaj uman în a doua parte a acestui an. Spre deosebire de cel de pe SSI acest laborator va fi returnat cercetătorilor pentru a fi analizat.

Fă rai din ce ai

Indiferent cum va rămâne consemnat în istorie, laboratorul spațial românesc DropCoal e în acest moment o victorie a comunității științifice din România în beneficiul unui întreg continent care se zbate să țină pasul cu evoluțiile din domeniul aerospațial unde competitorii din America și Asia sunt cu decenii înaintea noastră. 

Dacă România e codașa Europei la finanțarea cercetării și dezvoltării, Europa e codașă printre marile puteri mondiale. UE a cheltuit 2,22% raportat la PIB-ul său pentru acest domeniu în 2023, în timp ce în 2022, acest procent era de 2,56% în China, 3,41% în Japonia, 3,59% în SUA și 4,85% în Coreea de Sud, arată datele publicate de Comisia Europeană.

Oficialii de la Bruxelles promit că acest lucru se va schimba și au pus cercetarea și dezvoltarea în centrul planurilor de modernizare economică.

Agenția Spațială Europeană a avut un buget de 250.000 de euro pentru realizarea laboratorului destinat SSI, bani de un apartament cu patru camere într-o zonă bunicică din București. Pentru echipa științifică nu a existat finanțare.

Mihai Boni, Mihail Pascu și colegii lor au fost și continuă să fie motivați doar de pasiune. „O fac pentru că nu știu când voi mai avea vreodată oportunitatea de a realiza măsurători pe Stația Spațială Internațională”, ne-a spus coordonatorul echipei de cercetători de la INFLPR.