O que é convecção e outros fenômenos relacionados à gravidade e ao espaço

Convecção

O fenômeno da convecção aparece em virtualmente todos os processos ocorridos na Terra que envolvam fluídos (líquidos e gases), sujeitos a gradientes de temperatura, isto é, diferenças de temperatura entre dois pontos do fluído. Como expandem quando aquecidos, um elemento do fluído perto da região quente irá aumentar seu volume e, por conseguinte, diminuir sua densidade (densidade = massa / volume). Da mesma forma um elemento na região fria terá seu volume diminuído e sua densidade aumentada. Sob a ação do campo gravitacional terrestre, o elemento menos denso será deslocado pelo elemento mais denso, criando um processo de circulação ou fluxo convectivo. Quando a região quente do fluído está na parte superior, isto é, quando o gradiente térmico está em sentido contrario ao vetor da aceleração da gravidade, a configuração térmica é dita estável, pois o elemento de fluído mais denso tenderá a permanecer na região inferior. Já se for a região mais fria que estiver em sentido contrário à aceleração da gravidade, o elemento de menor densidade criado na parte inferior tenderá a subir, enquanto o elemento de maior densidade da parte superior irá descer. Isto cria um grande fluxo convectivo, e a configuração térmica é chamada de instável.

A animação ao lado mostra um exemplo de configuração instável num forno vertical de crescimento de cristais, com a zona fria voltada para cima (sentido contrário ao do vetor g da aceleração da gravidade). Um elemento de massa líquida próximo desta zona (que é onde o cristal sólido está se formando), diminuí de volume (portanto  aumentando de densidade), e é deslocado por um elemento mais quente o que ocasiona seu afundamento em direção a zona quente. Ao mesmo tempo, um elemento de massa líquida do fundo aumenta de volume (o que causa a diminuição de sua densidade), e é deslocado por um elemento mais frio, subindo em direção a zona fria. Esta combinação de efeitos, causa uma circulação no líquido fazendo-o misturar-se, o que reduz a camada de cristalização no líquido próxima da interface sólida. Além disto, o fluxo conduz calor através do líquido,  reduzindo o gradiente térmico necessário ao crescimento do cristal.
Num ambiente em microgravidade onde g é próximo de zero, estes fenômenos são muito reduzidos, permitindo o crescimento de cristais maiores e mais homogêneos.

Fluxos convectivos similares aos térmicos, são causados por diferenças na composição do fluído. A densidade de um líquido depende da quantidade de material que é nele dissolvido. Se existir no volume do líquido regiões com diferentes concentrações, isto é, um gradiente de concentração, as diferentes densidades resultarão em forças de empuxo, que irão produzir um fluxo convectivo constitucional, exatamente como no caso dos gradientes de temperatura. A amplitude destes fluxos convectivos é dada pelo número de Rayleigh.
Como estes fluxos são causados pela gravidade, fica fácil de se entender a grande vantagem da utilização de um ambiente em microgravidade, onde a aceleração é um milhão de vezes menor.
Sob a aceleração da gravidade existem alguns métodos para diminuir a convecção como, por exemplo, o aumento da razão de aspecto da ampola ou cadinho onde o material é crescido (razão de aspecto é a relação h / d, onde h é a altura da coluna líquida e d seu diâmetro). Reduzindo o diâmetro da ampola, pode-se minimizar os fluxos convectivos, obtendo condições de crescimento em estado estacionário, controladas apenas pela difusão. No entanto, dependendo do material a ser crescido, o diâmetro máximo terá que ser reduzido a apenas alguns poucos milímetros, não se obtendo um cristal que possa ser utilizado para a fabricação de dispositivos.
Outro tipo de processo convectivo, chamado de convecção de Marangoni, aparece pelo fato da tensão superficial em um fluído, ser dependente da temperatura. Como todo processo de solidificação requer um gradiente térmico através da interface sólido-líquido, aparecerá um fluxo radial da região de baixa tensão superficial para a a região de alta tensão superficial. Este é um tipo de convecção independente da gravidade que, na Terra, é mascarado pela convecção térmica ou pela convecção constitucional. Como em microgravidade elimina-se estas duas últimas convecções, a convecção de Marangoni é predominante, podendo ser melhor estudada, levando ao aperfeiçoamento de métodos para sua eliminação ou diminuição nos processos terrestres. Este tipo de convecção é medido pelo número de Marangoni.

Sedimentação e flutuação

As partículas (tais como sólidos, bolhas de ar ou gotas de líquidos imiscíveis), quando imersas num fluído ficam sujeitas a uma força de empuxo, que causa uma aceleração que faz com que ela suba ou desça, dependendo da diferença entre sua densidade e a do fluído, sendo que, a este movimento, se opõe uma força de arrasto.
Quando as partículas são muito pequenas, da ordem de um ou dois micrometros, sua energia potencial gravitacional é aproximadamente igual a energia térmica das moléculas do fluído. Neste caso, as colisões aleatórias das moléculas produzem forças comparáveis as forças de empuxo nas partículas, mantendo-as numa suspensão estável. Se porém, as partículas forem maiores, a gravidade terrestre faz com que elas flutuem ou sedimentem. Em microgravidade, é possível manter partículas de tamanho razoável, num estado de suspensão estável. Isto é importante para a investigação de certos processos como polimerização, floculação, e preparação de ligas imiscíveis.

Pressão hidrostática

A ausência de pressão hidrostática num ambiente de microgravidade, elimina a tendência de deformação de um líquido ou de um sólido devido a influência de seu próprio peso. Os líquidos, por exemplo, irão tomar a forma que minimize sua energia superficial. Com isso, os meniscos formados entre as interfaces gases-líquidos e sólidos-líquidos, serão determinadas apenas por suas tensões superficiais, sem a distorção devida à pressão hidrostática. Isto permite a pesquisa de fenômenos de molhamento, tal como a forma do ângulo de contato entre um líquido e seu cadinho de crescimento. O processo de crescimento por zona flutuante (floating zone), é limitado a certos tipos de materiais e configurações, para os quais a tensão superficial seja suficientemente grande para conter o líquido sob a influência da força hidrostática. No espaço, esta restrição deixa de existir.
Como na ausência de outras forças a forma de um líquido é aquela que minimiza a sua energia superficial, em microgravidade esta forma será a de uma esfera. Isto, em princípio, permite o processamento do material sem a utilização de recipientes, o que elimina os efeitos de parede, tais como tensões induzidas, contaminação e nucleação espúria.

Processamento em ultra alto vácuo

A atmosfera residual a 400 km de altura, é composta basicamente de átomos de oxigênio e sua pressão é cerca de um bilionésimo (10-7 torr) daquela ao nível do mar (760 torr). Isto não é ultra alto vácuo mas, como uma espaçonave viaja com velocidade muito superior àquela das moléculas existentes em sua trajetória, ela cria uma onda na sua esteira, quase que desprovida de moléculas (10-14 torr). Isto é um vácuo igual ou melhor do que os mais altos já obtidos na Terra, com a vantagem de ter uma capacidade de bombeamento ilimitada. Este vácuo é ideal para preparar superfícies ultra limpas e para processar materiais ultra puros através de evaporação a altas temperaturas.

Na foto ao lado aparece uma facilidade chamada de Wake Shield, sendo rebocada pelo Ônibus Espacial. O vácuo, na esteira do escudo, é da ordem de 10-13 torr e a microgravidade de 10-6 g. Esta facilidade é utilizada, entre outras aplicações, para o crescimento de camadas epitaxiais de materiais semicondutores por feixe molecular (Molecular Beam Epitaxy - MBE).