Kleine technologie, grote uitdagingen
Van reizen tussen de sterren tot kolonies op de maan: ruimtevaartorganisaties en privé-initiatieven hebben grote dromen. We zijn dan ook al heel ver gekomen: vijftig jaar geleden stonden we op de maan en sinds 2000 is het internationaal ruimtestation ISS permanent bewoond. Is het vandaaruit een kleine stap naar interplanetaire reizen en nederzettingen op de maan en zelfs Mars? Hoewel sciencefictionseries het allemaal gemakkelijk doen lijken, zijn er heel wat technologische doorbraken nodig om alle plannen waar te maken. Vooruitgang in ruimteonderzoek gaat hand in hand met vooruitgang in kennis en technologie.
Om de toekomstige astronauten en kolonisten bij te staan vanop aarde is er bijvoorbeeld een betrouwbaar medisch ondersteuningssysteem nodig. Medische apparatuur, diagnostiek en farmaceutica zullen moeten evolueren naar kleine, draagbare oplossingen en steunen op meer autonome en gepersonaliseerde geneeskunde. Een van de grootste struikelblokken voor ruimteonderzoek is nog altijd de beperkte beschikbaarheid van fysieke ruimte, massa en gewicht tijdens de vlucht of op het internationale ruimtestation. Nano-elektronica biedt een oplossing voor deze uitdaging door kerncomponenten te miniaturiseren. Daardoor zijn de eindproducten ook aanzienlijk kleiner zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties en de functionaliteit.
Als toonaangevend nano-elektronica-instituut is imec uitstekend geplaatst om hierin een voortrekkersrol te spelen. Recent werd dan ook een “Space Health” programma opgericht in imec USA (Kissimmee, Florida).
Hoog boven de wolken
Met financiering van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA zal imec drie technologieën testen in een microzwaartekrachtomgeving, een omgeving die de ruimtevlucht simuleert. Het diagnosetoestel van imecs spin-off miDiagnostics, imecs lensvrije microscoop (LFI) en imecs hersenprobe (Neuropixels) zijn stuk voor stuk compacte, geavanceerde systemen.
Ze zullen gevalideerd worden in een paraboolvlucht (miDiagnostics) en suborbitale ruimtevlucht (Neuropixels en LFI). Bij een paraboolvlucht maakt een vliegtuig een parabolische vlucht, waarbij enkele seconden gewichtsloosheid gecreëerd wordt. Bij een suborbitale ruimtevlucht bereikt een ruimtevaartuig de ruimte en keert het terug naar de aarde voordat het één omloop rond de planeet heeft uitgevoerd.
Deze demonstraties zijn uiteindelijk bedoeld om de technologie ruimteklaar te maken voor gebruik aan boord van ISS en op andere ruimtevaartmissies.
Ruimtevluchtomgevingen die microzwaartekracht (µg) simuleren.
Een diagnostisch hulpmiddel voor astronauten
Met een gemiddelde vluchtduur van 5 tot 7 maanden hebben astronauten beperkte mogelijkheden om hun gezondheid te evalueren. In het huidige proces wordt er in ISS bloed afgenomen dat vervolgens voor analyse naar de aarde wordt teruggestuurd. Dat heeft invloed op het laadvermogen – het draagvermogen van een raket –, de feedback op de resultaten kan ook te laat terugkomen, of er kunnen stalen verloren gaan. Een andere beperking is het gebrek aan medische professionals aan boord om bloed te nemen en te analyseren wanneer dat nodig is. Beter zou zijn als astronauten zelfvoorzienend zijn en de tests zelf uitvoeren. Om dat mogelijk te maken moet de testoplossing zo gebruiksvriendelijk en geautomatiseerd mogelijk zijn.
miDiagnostics, een start-up van imec en de Amerikaanse Johns Hopkins University, ontwikkelde een diagnostisch platform op basis van een nanofluïdische processor, ingebed in een goedkope testkaart voor eenmalig gebruik. De nanofluïdische processor bestaat uit een set van kleine kanaaltjes waardoor een kleine hoeveelheid vloeistof kan vloeien. Het huidige prototype kan een bloedanalyse uitvoeren op basis van slechts enkele druppels bloed. In andere configuraties zou hetzelfde platform nauwkeurige en onmiddellijke diagnoses kunnen bieden voor een reeks van cellulaire, biochemische en moleculaire tests.
De nanofluïdische processor werkt uitsluitend op basis van capillaire krachten; er zijn geen kleppen of pompen nodig om het bloed doorheen de processor te sturen. Daarom verwachten de imec-onderzoekers ook dat het platform evengoed zal functioneren in microzwaartekracht. Om dat te testen, zullen ze een druppel bloed door de geïsoleerde nanofluidische processor laten stromen tijdens een parabolische vlucht (verwacht in mei 2021).
Microscopiesystemen die in een schoendoos passen
Een van de belangrijkste onderwerpen in ruimteonderzoek is de studie naar effecten van langdurig verblijf in de ruimte op het menselijk lichaam, zoals spieratrofie en botverlies. Voor deze en andere onderzoekstoepassingen is het verzamelen van elektrofysiologische en beeldvormingsgegevens van cruciaal belang.
De huidige microscopische systemen houden nog sterk vast aan traditionele optische technologieën. Die vereisen de uitlijning en coördinatie van verschillende onderdelen om beelden van hoge kwaliteit te verkrijgen. Het LFI-systeem van imec, daarentegen, is niet afhankelijk van fragiele mechanische onderdelen, waardoor het robuust functioneert in een aanzienlijk kleiner formaat. Een lensvrije microscoop werkt volgens het principe van digitale holografie, waarbij de beelden achteraf in software op elke focusdiepte worden gereconstrueerd. Dit elimineert volledig de typische verschuivingen die optreden tijdens beeldregistratie over tijdsverloop, omdat er geen mechanische scherpstelling nodig is. Het systeem kan objecten kleiner dan cellen (1 µm) onderscheiden en dat over een groot beeldveld van enkele millimeters.
Omdat het LFI-systeem zo compact is kunnen tijdens de vlucht acht verschillende stalen tegelijkertijd gevisualiseerd worden. LFI is een zeer aantrekkelijke technologie voor toekomstig ruimteonderzoek. Ze zou bijvoorbeeld ingezet kunnen worden om cellen in beeld te brengen die als model dienen om de effecten van microzwaartekracht op het menselijk lichaam te bestuderen. De stalen kunnen daarnaast ook informatie verschaffen over deeltjestransportfenomenen die verschillen aan de grond en in microzwaartekracht.
Elektrische activiteit van cellen meten
Cellen in ons hart of hersenen zenden kleine elektrische signaaltjes uit om te communiceren met elkaar in een netwerk. Het is nog niet zo goed geweten hoe deze netwerkactiviteit beïnvloed wordt tijdens een ruimtevlucht. De signaaltjes kan men uitlezen met een techniek genaamd elektrofysiologie via bijvoorbeeld een probe met registratiecontacten.
Studies van elektrisch actieve cellen in microzwaartekracht beperken zich nog grotendeels tot de evaluatie van het hele lichaam voor, tijdens en na een ruimtevlucht. Hoewel deze metingen informatief zijn, leveren ze geen gedetailleerde informatie op over de cellen en weefsels. Met de Neuropixels-probe creëert imec het eerste systeem dat in staat is om elektrisch actieve cellen in ruimtevaartomgevingen continu en geautomatiseerd te monitoren. Neuropixels is een dunne, naaldvormige sonde met 960 opnamesites voor registratie van elektrische signalen van cellen.
Een multiprobe-Neuropixels-systeem zal de elektrofysiologische netwerkactiviteit in meerdere hersencelculturen meten voor de duur van een suborbitale vlucht. Dit zal niet alleen het systeem valideren, maar ook een voorlopige dataset opleveren om de effecten van zwaartekrachtverschillen op de neuronale netwerkfunctie te bestuderen.
Imec-technologieën die geselecteerd werden voor testen in een ruimteomgeving.
Productiemogelijkheden in microzwaartekracht
Naast onderzoek wint het idee van productie steeds meer aan belangstelling vanwege de voordelen van de microzwaartekracht. De lage zwaartekracht maakt het mogelijk om goederen te produceren die ofwel niet op aarde kunnen worden geproduceerd, ofwel met een superieure kwaliteit kunnen worden gemaakt. In de eerste plaats wordt hiervoor naar een lage omloopbaan (LEO, low-earth orbit) gekeken die het dichtst bij de Aarde is (maximaal 2000 km hoog).
Het gebrek aan sedimentatie en de beperkte convectie (warmtestroming van gas bijv. lucht, of vloeistof bijv. water) die in de microzwaartekrachtomgeving spelen, maken bijvoorbeeld een sterkere groei van grotere, kwalitatief betere kristallen in oplossing mogelijk. Dit is met name relevant voor toepassingen zoals de productie van chemische verbindingen voor medicijnen en de productie van siliciumwafels.
Aangezien een vermindering van de zwaartekracht ook een vermindering van het gewicht betekent, kan de ruimte bovendien de ideale locatie zijn voor bepaalde 3D-printtoepassingen of voor de productie van kunstmatige organen die met behulp van additieve productietechnieken worden vervaardigd.
Van exploratie tot kolonisatie
Terwijl onderzoek en productie ruimte-exploratie en de ontwikkeling van een commerciële ruimte-economie ondersteunen in een lage baan om de aarde (LEO), staat de kolonisatie ook op de lange-termijnsagenda van ruimteagentschappen en particuliere bedrijven. Zowel voor exploratie als voor vestiging staan compactheid en automatisering bovenaan de lijst van technologische eisen. De technologie moet de astronauten in staat stellen zelfvoorzienend te zijn. Ze moeten hun eigen gezondheid in het oog kunnen houden en zelf kunnen produceren wat ze nodig hebben. Tegelijkertijd moet het gereedschap, omdat het laadvermogen beperkt is, klein en licht zijn en met relatief weinig mensen aan boord ook geautomatiseerd.
Gepersonaliseerde geneeskunde heeft het potentieel om de diagnose en behandeling van ziekten te transformeren. In de diepe ruimte is er weinig ruimte voor trial and error, dus het is essentieel om het effect van medicatie op je lichaam van tevoren te kennen. Voor astronautenmonitoring kunnen contact- en contactloze sensoren worden gebruikt, terwijl hulpmiddelen zoals het miDiagnostics-platform kunnen worden gebruikt voor regelmatige controles.
Imec en partnertechnologieën om de gezondheid te monitoren.
Ruimtetechnologie met voordelen voor de aarde
Hoewel de ruimtevaart misschien een nichemarkt is, heeft onderzoek in deze unieke omgeving of ontwikkeling van ruimtevaarttechnologie geleid tot talrijke wetenschappelijke doorbraken met toepassingen op aarde. Veel onderzoeks- en farmacologische faciliteiten streven naar geautomatiseerde en compacte instrumentatie, bijvoorbeeld voor doorgedreven screening van chemische verbindingen of de microfluïdische chips voor orgaan-op-chip-onderzoek.
Imecs miniaturisatie-expertise beantwoordt aan deze behoeften en garandeert maximale informatie per micrometer technologie. Bovendien maakt de automatisatie van de systemen ze ook geschikt voor gebruik in afgelegen gebieden op aarde. Daarnaast kunnen de resultaten van de studies, bijvoorbeeld over bot- en spierverlies bij astronauten, gebruikt worden als model voor osteoporose of ziekten met spierverlies op aarde.
