Μεσαιωνικά βιτρό στον Άρη! How medieval stained-glass is creating the ultimate SPACE camera: Nanoparticles used in church windows will help scientists see Mars' true colours under extreme UV light

British space scientists are using medieval stained-glass to build a 'state of the art' camera bound for Mars.

Αιώνες πριν από την έλευση των υπερσύγχρονων ηλεκτρονικών μικροσκοπίων και της νανοτεχνολογίας οι άνθρωποι ήξεραν να αναπτύσσουν νανοϋλικά. Βεβαίως δεν διέθεταν τα μέσα για να γνωρίζουν τις «μικροσκοπικές» ιδιότητες των δημιουργημάτων τους, είχαν όμως αυτό που λέμε «μάτι»: ήξεραν να ξεχωρίζουν την υψηλή ποιότητα και διέθεταν - ή φρόντιζαν να αποκτήσουν - την απαραίτητη τεχνογνωσία ώστε να την εξασφαλίσουν. Αυτό το μαρτυρούν τα υλικά που μας έχουν κληροδοτήσει και τα οποία παραμένουν αξεπέραστα. Ορισμένα από αυτά είναι αδύνατον να τα μιμηθούμε ακόμη και με τις σημερινές προωθημένες γνώσεις μας, ενώ άλλα χρησιμοποιούνται από τους ειδικούς ως πηγή έμπνευσης για την ανάπτυξη υλικών και μηχανημάτων της τελευταίας λέξης της τεχνολογίας.

Τι χρώμα έχει ο Κόκκινος Πλανήτης;

Η PanCam του ExoMars Rover του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος θα απαθανατίσει τα φυσικά χρώματα του Άρη με τη βοήθεια της τεχνολογίας των μεσαιωνικών βιτρό. Researchers have taken divine inspiration from medieval stained-glass - because their colours haven't faded after hundreds of years being bombarded by UV radiation.

Το πιο πρόσφατο τέτοιο παράδειγμα είναι τα μεσαιωνικά βιτρό, τα οποία χρησιμοποιούνται ως βάση για την ανάπτυξη μιας κάμερας που θα πάει στον Άρη.

The 3D PanCam will be the science 'eyes' for Esa's Mars rover mission in 2019 and will feature a novel colour correction system to ensure that images sent back to earth truly represent the colours on Mars.

Η Πανοραμική Κάμερα (Panoramic Camera ή PanCam), όπως ονομάζεται, θα αποτελέσει βασικό «όπλο» στον εξοπλισμό του ExoMars Rover, του ρομποτικού εξερευνητή του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) που θα αναχωρήσει για τον Κόκκινο Πλανήτη το 2018 με αποστολή να αναζητήσει ίχνη παρούσης ή παρελθούσης ζωής σε αυτόν.

The small stained-glass coloured chips measure just 50 mm W 50 mm, are 18 mm high and weigh no more than 25 grams. Space scientists are using medieval stained-glass inside a camera being sent on a mission to Mars. Pictured here is the glass which is to be used in the camera.

Η PanCam έχει και αυτή μια αποστολή, να απαθανατίσει τα αρειανά τοπία με τα πραγματικά χρώματά τους. Αυτό όμως δεν είναι απλό, αφού η ατμόσφαιρα του Άρη έχει ελάχιστο ως καθόλου όζον και η υψηλή υπεριώδης ακτινοβολία μπορεί να ξεθωριάζει τα χρώματα των πλάνων.

Pictured here is (left) Dave Barnes holding the stained glass with Dr Stephen Pugh who is out testing the camera in the background.

Για να αποφύγουν αυτό το ενδεχόμενο, ερευνητές με επικεφαλής τον καθηγητή Ντέιβ Μπαρνς από το Πανεπιστήμιο του Αμπερέστγουιθ της Ουαλλίας αναπτύσσουν το PanCam Calibration Target (PCT), ένα σύστημα το οποίο θα «ρυθμίζει» τα χρώματα χρησιμοποιώντας εννέα χρωματιστά γυάλινα τσιπάκια εμπνευσμένα από τη νανοτεχνολογία που κρύβουν μέσα τους τα χρωματιστά τζάμια των παλιών εκκλησιών.

Νανοχρώματα στο γυαλί

Detail of a medieval window at Troyes Cathedral, France (1300s). Vitrail de la cathédrale Saint-Pierre-et-Saint-Paul de Troyes, bas-Cote Sud, 13ème siècle. Partie nettoyée.

Τα μεσαιωνικά βιτρό με τα λαμπερά, ανεξίτηλα χρώματά τους που δεν ξεθωριάζουν με το φως αλλά ούτε και με τον χρόνο είναι ένα από τα πλέον μελετημένα «αρχαία» νανοϋλικά και οι επιστήμονες γνωρίζουν σήμερα καλά τα μυστικά της κατασκευής τους. Παραδοσιακά το γυαλί φτιάχνεται από άμμο (δηλαδή διοξείδιο του πυριτίου), η οποία θερμαίνεται ώσπου να λιώσει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου στους 1.350 βαθμούς Κελσίου). Με το πέρασμα του χρόνου οι τεχνίτες ανακάλυψαν ότι προσθέτοντας στην άμμο διάφορα συστατικά αυτή έλιωνε σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Οι υαλουργοί του Μεσαίωνα χρησιμοποιούσαν ένα μείγμα από άμμο, ανθρακικό νάτριο (σήμερα γνωστό ως σόδα πλυντηρίου), ασβέστη, ποτάσιο και οξείδιο του μολύβδου, το οποίο έλιωνε γύρω στους 800 βαθμούς Κελσίου.

Όταν ο χρυσός λάμπει... κόκκινα

Νανοσωματίδια του χρυσού και του αργύρου «παγιδεύουν» αντίστοιχα το κόκκινο και το κίτρινο χρώμα μέσα στο γυαλί των μεσαιωνικών βιτρό. Detail of a panel from Chartres Cathedral.

Για να χρωματίσουν το γυαλί, πρόσθεταν τις χρωστικές τους ενώ το μείγμα ήταν λιωμένο, έτσι ώστε να «παγιδεύσουν το χρώμα στη μήτρα του γυαλιού» όπως λέγεται στη σχετική ορολογία. Ανάλογα με την απόχρωση που ήθελαν να επιτύχουν, χρησιμοποιούσαν διαφορετικό χημικό ως χρωστική: το πράσινο και το καφέ, π.χ., φτιάχνονταν με οξείδια του σιδήρου, το βαθύ μπλε και το βιολετί με οξείδιο του κοβαλτίου, το «φωσφοριζέ» πρασινοκίτρινο που λαμπυρίζει τη νύχτα με οξείδιο του ουρανίου, το κόκκινο του ρουμπινιού με χλωριούχο χρυσό και το λαμπερό κίτρινο με νιτρικό άργυρο. 

Όπως ίσως θα παρατηρήσατε, οι πρώτες χρωστικές έχουν μια «συνέπεια» ως προς τις χημικές «χρωματικές» ιδιότητές τους, ο χρυσός και το ασήμι όμως όχι: αντί να δώσουν στο γυαλί χρυσό και ασημένιο χρώμα, όπως θα περίμενε κάποιος μη σχετικός με τις συγκεκριμένες τεχνικές, το κάνουν αντίστοιχα κόκκινο ή κίτρινο. Η αιτία, όπως έχουν διαπιστώσει σήμερα οι ειδικοί, είναι ότι οι αλληλεπιδράσεις μέσα στο λιωμένο μείγμα της άμμου στην περίπτωση των δύο αυτών ευγενών μετάλλων δημιουργούν νανοσωματίδια και τα υλικά στη νανοκλίμακα αποκτούν διαφορετικές ιδιότητες - εξ ου και τα «απρόσμενα» χρώματα. Σήμερα μάλιστα οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει ότι η τελική απόχρωση είναι ζήτημα μεγέθους και σχήματος των νανοσωματιδίων. Τα νανοσωματίδια χρυσού παράγουν κόκκινο χρώμα όταν είναι σφαιρικά και έχουν διάμετρο 25 νανομέτρων, ενώ με διάμετρο 50 νανομέτρων δίνουν πράσινο και με διάμετρο 100 νανομέτρων κίτρινο. Αντίστοιχα τα νανοσωματίδια του αργύρου όταν έχουν σφαιρικό σχήμα και διάμετρο 100 νανομέτρων παράγουν κίτρινο, όταν έχουν διάμετρο 40 νανομέτρων δίνουν μπλε, ενώ όταν έχουν τριγωνικό σχήμα και πλευρά 100 νανομέτρων παράγουν κόκκινο.

Το μαγικό κύπελλο του Λυκούργου

Το Κύπελλο του Λυκούργου - αριστερά στη σκιά και δεξιά κοντά σε φως. The stunning Lycurgus cup reveals a brilliant red when light passes through its sections of glass containing gold-silver alloyed nanoparticles. Photograph: British Museum Images

Μια υψηλού επιπέδου «γυάλινη» νανοτεχνολογία επιδεικνύει επίσης ένα αρχαιότερο αντικείμενο, το θαυμαστό ρωμαϊκό «κύπελλο του Λυκούργου». Το γυάλινο κύπελλο, το οποίο κατασκευάστηκε τον 4ο αι. μ.Χ., εκτός από την περίτεχνη διακόσμηση που αναπαριστά τον μυθικό βασιλιά της Θράκης Λυκούργο αιχμάλωτο της μαινάδας του Διονύσου Αμβροσίας, η οποία έχει μεταμορφωθεί σε άμπελο, έχει μια «μαγική» ιδιότητα: όταν το κοιτάζει κάποιος σε φυσικό φως, με το φως να πέφτει επάνω του, είναι πράσινο και αδιαφανές, όταν όμως το φως έρχεται από πίσω του γίνεται κόκκινο και ημιδιάφανο. Μόλις τη δεκαετία του 1990 οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι το κύπελλο αυτό, το οποίο αποτελεί περίοπτο έκθεμα του Βρετανικού Μουσείου, είναι ένα δείγμα της τελευταίας λέξης της ρωμαϊκής... νανοτεχνολογίας. Το οπτικό «εφέ», όπως διαπίστωσαν, προκαλείται επειδή οι ρωμαίοι τεχνίτες είχαν αναμείξει στο λιωμένο γυαλί ένα κολλοειδές αιώρημα με νανοσωματίδια χρυσού, δηλαδή ένα υγρό στο οποίο πρόσθεταν χρυσό τριμμένο σε υπερβολικά λεπτούς κόκκους (οι ερευνητές υποθέτουν ότι έτριβαν το μέταλλο τόσο ώστε να προκύψουν σωματίδια με μέγεθος του ενός χιλιοστού ενός κόκκου άμμου).

Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με το ότι το κύπελλο είναι σκαλισμένο από ένα «μασίφ» κομμάτι γυαλιού (το πάχος του γυαλιού παίζει ρόλο στο οπτικό φαινόμενο) υποδηλώνει για τους ειδικούς πως, παρά το γεγονός ότι δεν μπορούσαν να γνωρίζουν τη νανοτεχνολογία, οι ρωμαίοι τεχνίτες ήξεραν πολύ καλά τι έκαναν - είχαν βρει δηλαδή μια τεχνική την οποία και ακολουθούσαν συνειδητά για να δημιουργήσουν εκπληκτικά αντικείμενα (άλλες έρευνες, όχι στο ίδιο το κύπελλο, αφού κάτι τέτοιο μπορεί να προκαλέσει φθορές, αλλά στο εργαστήριο, έχουν δείξει ότι αλλάζει επίσης χρώματα όταν γεμίζει με υγρό). Το κύπελλο του Λυκούργου είναι το μόνο «αρτιμελές» δείγμα διχροϊκού, όπως λέγεται, γυαλιού που έχει σωθεί ως τις μέρες μας, όμως θραύσματα που έχουν βρεθεί δείχνουν ότι η τεχνολογία αυτή εφαρμοζόταν σχετικά ευρέως.

Νανοκεραμικά στα αρχαιοελληνικά αγγεία

Το μαύρο-μπλε χρώμα στο μελανό υάλωμα των αρχαίων αττικών αγγείων προκύπτει από νανοκρυστάλλους μαγνητίτη. Heracles and Athena. Side A (red-figure) of an Attic bilingual amphora, 520–510 BC. From Vulci. Bilingual (black-figure ceramic and red-figure ceramic) amphora by the Andokides Painter, (Munich).

Ακόμη αρχαιότεροι «εμπειρικοί» γνώστες της νανοτεχνολογίας ήταν οι κεραμείς της αρχαίας Αθήνας. Το περίφημο μελανό υάλωμα των μελανόμορφων και ερυθρόμορφων αττικών αγγείων, που μεσουράνησαν στον αρχαίο κόσμο από τον 7ο ως τον 4ο αι. π.Χ., αποτελεί επίσης ένα νανοϋλικό το οποίο δημιουργούνταν με μια συνειδητή και άκρως συνεπή τεχνική. Η βαφή των αγγείων ήταν και αυτή ένα κολλοειδές αιώρημα από άργιλο, η οποία ήταν «διαλεγμένη» έτσι ώστε να έχει συγκεκριμένη χημική σύσταση. Μια επίσης πολύ συγκεκριμένη τεχνική όπτησης των αγγείων σε τρία στάδια με συγκεκριμένες θερμοκρασίες έκανε τη βαφή αυτή να υαλοποιείται «κλείνοντας» μέσα της νανοκρυστάλλους μαγνητίτη, οι οποίοι τής έδιναν το χαρακτηριστικό μαύρο-μπλε χρώμα. Το μελανό υάλωμα των αττικών αγγείων έχει αποτελέσει επί χιλιετίες αντικείμενο ατυχών προσπαθειών μίμησης και επισταμένων μελετών. Η «νανοδιάστασή» του ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 1990 από έλληνες ερευνητές, ενώ πρόσφατα προκάλεσε το ενδιαφέρον μιας θυγατρικής της NASA, η οποία προσπαθεί να αντλήσει από αυτό έμπνευση για την ανάπτυξη βελτιωμένων κεραμικών επενδύσεων για τα διαστημόπλοια της αμερικανικής διαστημικής υπηρεσίας.

Umbrian Pottery.

«Νανοκεραμικά» έχουν επίσης δημιουργήσει πριν από περισσότερο από μία χιλιετία οι κινέζοι κεραμείς, οι οποίοι χρησιμοποιούσαν νανοσωματίδια χρυσού σε μια βαφή η οποία έδινε κόκκινο χρώμα στην πορσελάνη τους. Πολύ αργότερα, λίγο πριν από την Αναγέννηση, οι κεραμείς της Ούμπρια στην Ιταλία ανέπτυξαν μια άλλη «νανοπροσέγγιση», δίνοντας στα κεραμικά τους ιριδίζον υάλωμα με νανοσωματίδια χαλκού και αργύρου, τα οποία ανακλούν το φως σε διαφορετικά μήκη κύματος.

Kepler-91b: ένας πλανήτης στο τέλος της ζωής του. Kepler-91b: a planet at the end of its life

Kepler-91b, shown in this artist's impression, will be swallowed by its parent star in 55 million years, which is relatively soon on an astronomical time scale.

Έναν καυτό πλανήτη που κινείται γύρω από έναν κόκκινο γίγαντα με τη μικρότερη τροχιά που έχει παρατηρηθεί ποτέ ανακάλυψαν αστρονόμοι αναλύοντας τα δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Κέπλερ. Με αστρονομική χρονική κλίμακα δεν περισσεύει πολύς χρόνος για τον πλανήτη αφού το άστρο του μεγαλώνει καταπίνοντας γύρω του τα πάντα, ένα μέλλον που περιμένει και τη Γη σε περίπου 5 δισεκατομμύρια χρόνια.

Ο πλανήτης Kepler 91b βρίσκεται 3.360 έτη φωτός μακριά μας, στην περιοχή του αστερισμού Λύρα. Έχει μέγεθος ανάλογο με αυτό του Δία και μάζα 14% μικρότερη, συντηρεί μία αραιή ατμόσφαιρα, ενώ κινείται σε τροχιά 11 εκατομμυρίων χιλιομέτρων γύρω από το άστρο του εκτελώντας μία πλήρη περιφορά σε έξι μέρες. Συγκριτικά ο Ερμής, ο κοντινότερος στον Ήλιο πλανήτης, κινείται σε μία τροχιά 46 εκατομμυρίων χιλιομέτρων, και το έτος του διαρκεί 88 ημέρες.

The Kepler lightcurve of Kepler-91b showing the transits and the “ellipsoidal modulation” caused by the planet distorting the star’s outer layers.

Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή έδειξαν πως το άστρο K3 γύρω από το οποίο περιφέρεται ο εξωπλανήτης μεγεθύνεται, και σε 55 εκατομμύρια χρόνια θα έχει καταλάβει το χώρο στον οποίο κινείται σήμερα ο πλανήτης. Με το μέγεθος που έχει σήμερα το άστρο, καταλαμβάνει το 36% του ουρανού του Kepler 91b.

An artist’s conception of a disintegrating planet – creating a trail of dust – around its star. Image Credit: NASA.

Άστρα με μέγεθος παρόμοιο με τον Ήλιο (από 0.3 έως 8 ηλιακές μάζες) μετατρέπονται σε κόκκινους γίγαντες όταν εξαντληθεί στον πυρήνα τους το υδρογόνο που χρησιμοποιούν στις πυρηνικές τους αντιδράσεις. Καθώς τότε δεν υπάρχουν πυρηνικές δυνάμεις να αντισταθούν στις δυνάμεις της βαρύτητας, ο πυρήνας αρχίζει να συστέλλεται, ενώ οι θερμοκρασίες ανεβαίνουν λόγω της πίεσης, επιτρέποντας στις περιοχές που περιβάλλουν τον πυρήνα να αρχίσουν να καταναλώνουν το υδρογόνο που βρίσκεται εκεί. Οι υψηλότερες θερμοκρασίες σε συνδυασμό με τον αυξημένο ρυθμό αντιδράσεων οδηγεί σε μία αύξηση της φωτεινότητας του άστρου έως και 10.000 φορές. Τα εξωτερικά στρώματα του άστρου αρχίζουν τότε να διαστέλλονται, και το άστρο εισέρχεται στη φάση του κόκκινου γίγαντα, γίνεται δηλαδή μια καυτή διαστελλόμενη σφαίρα που καταπίνει τα πάντα στο διάβα της.

Ο Ήλιος στα τελικά στάδια ως κόκκινος γίγαντας αναμένεται να φτάσει έως και την τροχιά της Γης πριν αποβάλλει όλα του τα εξωτερικά στρώματα δημιουργώντας ένα πλανητικό νεφέλωμα και αφήνοντας στο κέντρο ένα λευκό νάνο.

Η συγκεκριμένη έρευνα η οποία δημοσιεύεται στο δικτυακό τόπο arXiv.org, αποτελεί μία από τις σπάνιες περιπτώσεις όπου έχουν παρατηρηθεί πλανήτες γύρω από κόκκινους γίγαντες και είναι σίγουρα η πιο ενδιαφέρουσα καθώς ο πλανήτης βρίσκεται κοντά στο επίκεντρο κοσμογονικών για εκείνον εξελίξεων.