Vantagens da utilização da microgravidade

A microgravidade é uma ferramenta poderosa  para o melhor entendimento de questões fundamentais da ciência, visando encontrar soluções para problemas terrestres. Desta maneira ela permite otimizar e melhorar processos físicos, químicos e biológicos que são importantes na ciência, engenharia e medicina.
A utilização da microgravidade começou já nos primeiros anos dos programas espaciais, com experimentos a bordo da Apolo, Skylab e Apolo-Soyus durante os anos 60 e 70.
A motivação para estes estudos era freqüentemente puramente científica, na tentativa de melhor observar certas leis fundamentais e fenômenos básicos. A história porém logo demonstrou, como por exemplo no caso dos materiais semicondutores, que respostas à questões puramente científicas, logo puderam ser aplicadas praticamente para o desenvolvimento de processos e sistemas e até, as vezes, levaram à descoberta de novas aplicações de grande impacto industrial e comercial.
A ausência de efeitos gravitacionais significa, por exemplo, que a diferença de temperatura num fluído não produz efeitos de convecção, sedimentação e flutuação, simplificando o processo a ser observado. Sem o acréscimo dos fluxos convectivos, causados pela força da gravidade terrestre, torna-se possível estudar fenômenos de fluxo laminar, oscilatório e turbulento, gerados por outras forças. Com seu melhor entendimento e controle, torna-se possível aumentar a eficiência das usinas de energia elétrica, de processos industriais e da produção alimentícia e farmacêutica.

	A foto a ao lado mostra pequenas bolhas de gás sendo carregadas do fundo de um recipiente aquecido para sua superfície, por fluxos convectivos produzidos pela gravidade; na foto b, a ausência de gravidade, e por conseguinte a ausência de convecção e empuxo, permitem que as bolhas de gás aquecido aumentem de tamanho e permaneçam por muito mais tempo junto ao fundo do recipiente.

Em ciência dos materiais a microgravidade auxilia a melhorar o entendimento da formação, da estrutura e das propriedades dos mais diversos tipos de materiais. A ausência de gravidade é fundamental para entender a função da convecção, sedimentação e pressão hidrostática na solidificação e no crescimento de cristais, na formação de materiais semicondutores eletrônicos e opto-eletrônicos, ligas, metais, compósitos, cerâmicas, vidros e polímeros.

A biotecnologia envolve a pesquisa, manipulação e produção de moléculas biológicas, tecidos e organismos vivos. Ela tem se beneficiado do ambiente de microgravidade para crescer cristais de proteína, células e tecidos.
As proteínas consistem de milhares de átomos fracamente ligados para formar grandes moléculas, e o corpo humano possuí mais de 100.000 diferentes tipos de proteínas vitais a vida. Da mesma forma os vírus, por exemplo, também possuem proteínas essenciais a sua atividade.  O objetivo é então determinar a estrutura das proteínas e, partir dai, projetar drogas que interfiram em sua atividade. A determinação da estrutura dos cristais de proteína é geralmente feita por difração de raio-x, que requer cristais relativamente grandes, homogêneos e livres de defeitos. No entanto, a gravidade terrestre dificulta o processo de crescimento deste cristais, devido a efeitos dos fluxos convectivos (produzidos pela diferença de densidade causada  pela diferença de temperatura entre regiões da solução), e da sedimentação (separação de materiais de diferentes densidades), que inibem o seu crescimento. Em microgravidade os fluxos convectivos são muito reduzidos, e os cristais crescem numa solução muito mais estável. Da mesma forma, a ausência de sedimentação não permite que os cristais afundem e sejam afetados por outros cristais que estão iniciando seu crescimento na mesma solução. Com isto é possível de se obter cristais com qualidade e tamanho para terem sua estrutura analisada.

A figura ao lado é um modelo, gerado por computador, de um cristal de proteína essencial ao parasita que causa a doença de Chagas, que afeta o coração e o trato intestinal. Pode-se, a partir do conhecimento de sua estrutura cristalina, projetar medicamentos que interagem com a proteína para inibir sua função, curando a doença. Medicamentos baseados na estrutura das proteínas, estão sendo utilizados para o tratamento de doenças como AIDS, câncer e diabetes.

Outra área da biologia que se beneficia da microgravidade é a cultura de células e tecidos. A  cultura de tecidos humanos, tanto normais como cancerosos, é uma grande promessa para aplicações médicas como, por exemplo, transplante de tecido em queimados. Entretanto, com os métodos convencionais da Terra, efeitos de fluxo e sedimentação separam as células uma das outras, limitando o número de células disponíveis para agregação. Em microgravidade estes efeitos não ocorrem podendo tornar possível, no futuro, a produção de tecidos com estados de maturação mais semelhantes aos encontrados no corpo humano.

Combustão é a reação química auto-sustentável que libera uma considerável quantidade de calor. Para que ela aconteça é necessária a existência de três fatores: combustível, oxidante e ignição. Seu perfeito entendimento é importante para resolver problemas de poluição, aquecimento global, explosões, etc., e para otimizar processos de produção de energia, meios de transporte em geral e em propulsão de espaçonaves. A microgravidade pode ajudar a entender fenômenos de combustão relacionados à forças dependentes da gravidade, tais como fluxos convectivos e sedimentação.

A seqüência ao lado, obtida em um experimento a bordo na MIR, mostra a chama de uma vela queimando em microgravidade. A chama tem um comportamento diferente daquele na Terra, pois num ambiente microgravitacional não existem fluxos convectivos para transportar para o topo da vela os produtos mais quentes (menos densos) da combustão (dióxido de carbono, fuligem e vapor de água), formados na base da vela e, ao mesmo tempo, para precipitar os elementos mais frios (mais densos), como o oxigênio, para sua base. Em microgravidade o transporte dos produtos da combustão e dos oxidantes, ocorrem de forma muita mais lenta, através de processos de difusão molecular. O resultado é uma queima mais lenta, com a chama exibindo um formato mais esférico do que na Terra.

A pesquisa em física fundamental em ambiente de microgravidade, pode auxiliar o melhor entendimento de fenômenos básicos que ficam mascarados na gravidade terrestre. As principais áreas de pesquisa são a física da matéria condensada, física de baixas temperaturas, física atômica, e física gravitacional e relativística.
O espaço proporciona um ambiente livre vibrações sísmicas que podem prejudicar experimentos que necessitam de medidas muito sensíveis. Eliminando a aceleração da gravidade das equações que descrevem o movimento de átomos, por exemplo, os experimentos podem ser melhor entendidos e relacionados apenas às outras variáveis presentes. 
Um exemplo são as nuvens de átomos resfriados num estado chamado de condensação de Bose-Einstein, que ocorre quando suas temperaturas são abaixadas através da técnica de resfriamento por laser, que remove parte de suas energias. Os átomos movem-se mais lentamente e se rearranjam numa formação compacta. Em microgravidade os átomos formam condensações de maior tamanho e podem ser mantidos neste estado por muito mais tempo do que na Terra, permitindo uma melhor observação de suas propriedades.