STS-50

• Se completó el primer vuelo exclusivo del Laboratorio de Microgravedad-1 de Estados Unidos, sentando las bases para las operaciones científicas de la Estación Espacial Freedom .
• Se han completado 31 experimentos de microgravedad en cinco áreas básicas: dinámica de fluidos, crecimiento de cristales, ciencia de la combustión, ciencias biológicas y demostración de tecnología.
• Se introdujeron varias instalaciones nuevas para experimentos de microgravedad, destinadas a múltiples usuarios y vuelos (entre ellas, el horno de crecimiento de cristales, el módulo de física de gotas y el experimento de convección impulsada por tensión superficial).
• Demostró la eficacia de las operaciones científicas interactivas entre los miembros de la tripulación y los científicos en tierra para optimizar el rendimiento científico.
• Se completó el período más largo de crecimiento de cristales de proteínas en el programa del transbordador espacial.
• Se realizaron experimentos iterativos de crecimiento de cristales en los que se modificaron las composiciones químicas basándose en observaciones microscópicas de los procesos de crecimiento.
• Completó la misión más larga del transbordador espacial hasta ese momento (13 días, 19 horas y 30 minutos) y el primer vuelo del Orbitador de Duración Extendida (EDO, por sus siglas en inglés) del programa del transbordador espacial .
• Se ha demostrado la versatilidad de la nueva instalación de caja de guantes (GBX) para la interacción de los miembros de la tripulación con múltiples experimentos, con el fin de maximizar la investigación científica.

El transbordador espacial Columbia despegó hacia la órbita para realizar el vuelo más largo de la historia. Aterrizó casi 14 días después, regresando con datos y muestras recopilados de una importante serie de experimentos de microgravedad. La misión STS-50 del transbordador llevó al espacio el primer Laboratorio de Microgravedad de los Estados Unidos-1 (USML-1), donde se llevaron a cabo experimentos de microgravedad de larga duración. La microgravedad es una aceleración gravitatoria pequeña en comparación con la atracción gravitatoria en la superficie terrestre . Mediante la caída libre (por ejemplo, el transbordador espacial orbitando la Tierra), los efectos locales de la gravedad se reducen considerablemente, creando así un entorno de microgravedad.

Durante la misión extendida del Columbia , los científicos que trabajaban dentro del módulo Spacelab , ubicado en la bodega de carga del Columbia , realizaron más de 30 investigaciones y pruebas en microgravedad. Para maximizar el rendimiento científico de la misión, los experimentos se llevaron a cabo las 24 horas del día. Las investigaciones se enmarcaron en cinco áreas básicas de la investigación científica en microgravedad: dinámica de fluidos (el estudio de cómo los líquidos y los gases responden a la aplicación o ausencia de diferentes fuerzas), ciencia de los materiales (el estudio de la solidificación de materiales y el crecimiento de cristales), ciencia de la combustión (el estudio de los procesos y fenómenos de la combustión), biotecnología (el estudio de fenómenos relacionados con productos derivados de organismos vivos) y demostraciones tecnológicas que buscaban probar conceptos experimentales para su uso en futuras misiones del transbordador y en la estación espacial Freedom .

En la misión USML-1 se transportaron tres nuevas instalaciones experimentales principales: el horno de crecimiento de cristales, el aparato para el experimento de convección impulsada por tensión superficial y el módulo de física de gotas. Además, se incorporó una nueva pieza de hardware a bordo de este vuelo: la versátil caja de guantes , que permitía la manipulación directa de pequeños experimentos, aislando a la tripulación de los líquidos , gases o sólidos involucrados. A continuación se describen algunos de los experimentos realizados en la USML-1.

El Horno de Crecimiento de Cristales (CGF) es una instalación reutilizable para investigar el crecimiento de cristales en microgravedad. Es capaz de procesar automáticamente hasta seis muestras grandes a temperaturas de hasta 1600 °C (2910 °F) . Se pueden procesar muestras adicionales mediante intercambio manual. En la misión USML-1 se utilizaron dos métodos de crecimiento de cristales: solidificación direccional y transporte de vapor. Al analizar la composición y la estructura atómica de los cristales cultivados sin la influencia dominante de la gravedad, los científicos comprenderán mejor las correlaciones entre los flujos de fluidos durante la solidificación y los defectos en un cristal. El CGF operó durante 286 horas y procesó siete muestras, tres más de las previstas, incluyendo dos cristales semiconductores de arseniuro de galio . Los cristales de arseniuro de galio se utilizan en circuitos integrados digitales de alta velocidad, circuitos integrados optoelectrónicos y láseres de estado sólido . Los miembros de la tripulación pudieron intercambiar muestras utilizando una caja de guantes flexible especialmente diseñada para facilitar operaciones experimentales adicionales.  

El Experimento de Convección Impulsada por Tensión Superficial (STDCE) fue el primer experimento espacial en utilizar instrumentos de última generación para obtener datos cuantitativos sobre flujos impulsados ​​por tensión superficial en la superficie de líquidos, abarcando un amplio rango de variables en un entorno de microgravedad. Diferencias muy leves en la temperatura superficial son suficientes para generar flujos de fluido sutiles en la superficie de los líquidos. Dichos flujos, denominados " termocapilares ", existen en las superficies de los fluidos en la Tierra. Sin embargo, los flujos termocapilares en la Tierra son muy difíciles de estudiar porque a menudo quedan enmascarados por flujos impulsados ​​por flotabilidad mucho más intensos. En microgravedad, los flujos impulsados ​​por flotabilidad se reducen considerablemente, lo que permite el estudio de este fenómeno. El STDCE proporcionó las primeras observaciones de flujo termocapilar en un fluido con superficie curva y demostró que la tensión superficial es una poderosa fuerza impulsora del movimiento de los fluidos.

El Módulo de Física de Gotas (DPM) permitió el estudio de líquidos sin la interferencia de un recipiente. En la Tierra, los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene. Además, los materiales del recipiente pueden contaminar químicamente los líquidos estudiados. El DPM utiliza ondas acústicas (sonido) para posicionar una gota en el centro de una cámara. Al estudiar las gotas de esta manera, los científicos tienen la oportunidad de probar teorías básicas de la física de fluidos en áreas como la dinámica no lineal, las ondas capilares y la reología superficial (cambios en la forma y el flujo de la materia). Los miembros de la tripulación, mediante la manipulación de las ondas sonoras, pudieron rotar, oscilar, fusionar e incluso dividir gotas. En otra prueba, lograron crear la primera gota compuesta, una gota dentro de otra, para investigar un proceso que podría emplearse para encapsular células vivas dentro de una membrana semipermeable para su uso en tratamientos de trasplante médico.

La Caja de Guantes (GBX) demostró ser, quizás, el equipo de laboratorio espacial más versátil introducido en los últimos años. La caja de guantes ofrece a los miembros de la tripulación la oportunidad de manipular diversos tipos de pruebas, demostraciones y materiales (incluso tóxicos, irritantes o potencialmente infecciosos) sin contacto directo con ellos. La GBX cuenta con una ventana que permite el acceso a un espacio de trabajo limpio, guantes integrados para la manipulación de muestras y equipos, un sistema de presión de aire negativa, un sistema de filtración y una puerta de entrada para introducir y extraer materiales y experimentos del área de trabajo. El uso principal de la caja de guantes fue la mezcla selectiva de cristales de proteínas y el seguimiento de su crecimiento. La caja de guantes permitió a los miembros de la tripulación modificar periódicamente la composición para optimizar el crecimiento, una primicia en el espacio. Otras pruebas realizadas en su interior incluyeron estudios sobre llamas de velas , estiramiento de fibras, dispersión de partículas, convección superficial en líquidos e interfaces líquido/contenedor. En total, se llevaron a cabo dieciséis pruebas y demostraciones dentro de la caja de guantes. La caja de guantes también brindó a los miembros de la tripulación la oportunidad de realizar operaciones de respaldo en el aparato genérico de bioprocesamiento, las cuales no estaban previstas.

Otro de los experimentos del Spacelab fue el Aparato Genérico de Bioprocesamiento (GBA), un dispositivo para procesar materiales biológicos. El GBA procesó 132 experimentos individuales con volúmenes de varios mililitros. El aparato estudió células vivas, microorganismos utilizados en el tratamiento de residuos ecológicos, el desarrollo de artemias y huevos de avispas, y otros modelos de prueba biomédicos empleados en la investigación del cáncer. Una de las muestras estudiadas, los liposomas, consiste en estructuras esféricas que podrían utilizarse para encapsular fármacos. Si este producto biológico se forma adecuadamente, podría utilizarse para administrar un medicamento a un tejido específico del cuerpo, como un tumor.

El instrumento SAMS (Sistema de Medición de Aceleración Espacial) midió las condiciones de baja aceleración (también conocidas como microgravedad) experimentadas por los experimentos de microgravedad durante la misión. Estos datos son invaluables para que los científicos determinen si los efectos observados en sus datos experimentales se deben a perturbaciones externas o no. Los instrumentos SAMS volaron en más de veinte misiones del transbordador espacial, 3,5 años en la estación Mir , y una nueva versión se encuentra actualmente (2006) en la Estación Espacial Internacional .

Si bien la mayoría de los experimentos de la misión STS-50 se llevaron a cabo en el Laboratorio de Microgravedad-1 de Estados Unidos (USML-1), otros se realizaron en la cubierta intermedia del Columbia . Entre los experimentos realizados en la cubierta intermedia se incluyeron estudios sobre el crecimiento de cristales de proteínas, la astrocultura y el crecimiento de cristales de zeolita.

El experimento de crecimiento de cristales de proteínas realizó su decimocuarto vuelo del transbordador, pero la misión USML-1 representó la primera vez que los miembros de la tripulación pudieron optimizar las condiciones de crecimiento utilizando la caja de guantes. Se prepararon aproximadamente 300 muestras de 34 tipos de proteínas, incluyendo el complejo de transcriptasa inversa del VIH (una enzima clave para la replicación del SIDA) y el factor D (una enzima importante en el sistema inmunitario humano). Alrededor del 40 % de las proteínas transportadas se utilizarán para estudios de difracción de rayos X. El mayor tamaño y rendimiento se atribuye al tiempo de crecimiento de cristales prolongado que proporcionó esta misión. Los científicos en tierra utilizarán la cristalografía de rayos X para estudiar la estructura tridimensional de cada proteína , la cual, una vez determinada, podría ayudar a controlar la actividad de cada proteína mediante el diseño racional de fármacos.

El experimento Astroculture evaluó un sistema de suministro de agua para el cultivo de plantas en microgravedad. El cultivo de plantas en el espacio se considera un método viable para proporcionar alimentos , oxígeno , agua purificada y eliminar el dióxido de carbono , lo que permitiría la permanencia humana a largo plazo en el espacio. Dado que los fluidos se comportan de manera diferente en microgravedad que en la Tierra, los sistemas de riego terrestres no se adaptan bien a este entorno.

El experimento de crecimiento de cristales de zeolita procesó 38 muestras distintas que se mezclaron en una caja de guantes. Los cristales de zeolita se utilizan para purificar fluidos biológicos, como aditivos en detergentes para ropa y en aplicaciones de depuración de residuos.

La misión STS-50 no solo marcó el primer vuelo del Laboratorio de Microgravedad-1 de EE. UU. (USML-1), sino también el primer vuelo del Orbitador de Duración Extendida . Para prepararse para la investigación a largo plazo (meses) en microgravedad a bordo de la Estación Espacial Freedom, los científicos y la NASA necesitan experiencia práctica en la gestión de periodos de tiempo cada vez más largos para sus experimentos. El Transbordador Espacial suele proporcionar entre una semana y diez días de microgravedad. Gracias al kit del Orbitador de Duración Extendida, el transbordador espacial Columbia permaneció en órbita durante casi 14 días, y las futuras misiones con Columbia podrían durar hasta un mes. El kit consta de tanques adicionales de hidrógeno y oxígeno para la producción de energía, tanques adicionales de nitrógeno para la atmósfera de la cabina y un sistema de regeneración mejorado para eliminar el dióxido de carbono del aire de la cabina.

Uno de los aspectos prácticos de permanecer más tiempo en el espacio será la necesidad de mantener la salud y el rendimiento de la tripulación. Durante la misión STS-50, los tripulantes realizaron pruebas biológicas como parte del Proyecto Médico EDO. Monitorearon su presión arterial y frecuencia cardíaca, y tomaron muestras de la atmósfera de la cabina durante el vuelo. También evaluaron el dispositivo de presión negativa en la parte inferior del cuerpo (LBNP) como contramedida a la reducción normal de fluidos corporales que ocurre en el espacio. Si los efectos beneficiosos del LBNP se mantuvieran durante 24 horas, mejoraría el rendimiento de la tripulación durante la reentrada y el aterrizaje.

Los miembros de la tripulación del STS-50 también participaron en el Experimento de Radioaficionados del Transbordador Espacial (SAREX). Mediante este experimento, pudieron contactar con radioaficionados , una réplica de un velero polinesio en el Océano Pacífico y escuelas seleccionadas de todo el mundo.

El experimento de Investigación sobre el Procesamiento de Membranas Poliméricas (IPMP, por sus siglas en inglés) ya se ha utilizado en seis misiones del transbordador espacial. Su objetivo es estudiar la formación de membranas poliméricas en microgravedad, con la finalidad de mejorar su calidad y su uso como filtros en procesos biomédicos e industriales.