primary | PR27b teach with space©rience de croissance cristalline dans l'espace CrISStal Activités...

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Expérience de croissance cristalline dans l'espace

CrISStal

Activités des élèves

2teach with space - CrISStal | PR27b

Connaissances de base page 3

Connaissances de base : Une introduction page 4aux cristaux Activité 1 : Dissolution de solides pour page 5fabriquer de la peinture magique

Activité 2 : Création d’images magique page 7

Activité 3 : Création d’une étoile de cristal page 8dans un bocal

Activité 4 : CrISStal – Les cristaux poussent-ils page 11différemment dans l'espace ?


Cet « homme de l’espace » est Thomas Pesquet, un astronaute de l’Agence spatiale européenne. Thomas a rejoint la Station spatiale internationale (l’ISS) en novembre 2016 pour une mission de six mois. Durant sa mission, Thomas a effectué de nombreuses expériences. Une de ces expériences s’appelait CrISStal. Cette expérience avait pour but de savoir si les cristaux poussent différemment dans l’espace et sur la Terre.

Nous t’invitons à participer à cette expérience. D’abord, tu devras en apprendre plus sur les solutions liquides et les cristaux, puis tu reproduiras l'expérience de Thomas Pesquet dans ta classe. Ensuite, tu compareras tes résultats avec les siens. Pense-tu qu'il y aura une différence?

Micropesanteur

À bord de l'ISS, les objets et les personnes « flottent » – comme si rien n’avait de poids. C’est probablement la principale différence avec la Terre, où tout est attiré vers le sol. Sur Terre, nous pouvons tous sentir une attraction vers le bas, mais nous y sommes tellement habitués que nous n’y prêtons plus attention. L’attraction que l’on ressent s’appelle « pesanteur ».

À bord de la Station spatiale internationale (ISS), les astronautes ne subissent aucune pesanteur (attraction vers le bas). Cela s’explique par le fait que l'ISS se déplace très rapidement, en effectuant une orbite autour de la Terre à 400 km au-dessus de nos têtes.

La station ne tombe pas sur la Terre car elle se maintient à la bonne vitesse et dans la bonne direction. Elle est en « chute libre » autour de la Terre. En l’absence de pesanteur à bord de l’ISS, les astronautes libérés de leur poids flottent à l'intérieur de la station, et se déplacent en « volant » dans les couloirs. Il font l’expérience de la micropesanteur.

L'absence de pesanteur entraîne de nombreuses différences dans la façon dont les choses fonctionnent à bord de l'ISS, par rapport à la Terre. Tu étudieras ces différences dans ta classe en reproduisant sur Terre les mêmes expériences que celles effectuées à bord de l'ISS par Thomas Pesquet, et tu compareras les résultats.

Ta mission :

• En savoir plus sur les états de la matière, sur la dissolution des matériaux et sur la formation des cristaux.

• Faire une expérience pour voir comment les cristaux poussent sur Terre

• Essayer de savoir si les cristaux se développent différemment dans l'espace et sur la Terre.


Une introduction aux cristaux

Il est possible de trouver des cristaux tout autour de nous, en nous, et au-dessus de nous ! Mais qu'est-ce qu'un cristal, et pourquoi sont-ils si spéciaux ?

Les cristaux sont des matériaux spéciaux dans lesquels les atomes (les minuscules blocs de construction de toutes choses) sont disposés dans une forme très ordonnée. Un exemple simple est la glace d'eau.

Lorsque l'eau est un liquide, elle a un volume constant, mais ses particules peuvent se déplacer pour lui permettre de prendre la forme de son récipient. Lorsque l'eau s'évapore pour devenir un gaz (vapeur d'eau), les particules sont éloignées les unes des autres et se déplacent rapidement. La vapeur d'eau peut être comprimée (les particules se rapprochent alors l’une de l’autre). L'eau à l'état solide est appelée « glace » et forme des cristaux très réguliers. Regarde l'image agrandie d'un flocon de neige - tu peux voir comment les cristaux ont formé une forme symétrique.

La congélation d'un matériau n'est pas la seule façon de former des cristaux. Qu’arrive-t-il au sucre lorsque nous le mettons dans une boisson chaude ? Il se dissout. Cela signifie que les molécules de sucre (le soluté) se dispersent parmi les molécules liquides, et nous ne voyons plus le sucre comme un solide. Nous appelons « solvant » le liquide qui est responsable de la dissolution. En général, voici ce qui se produit quand un soluté se dissout dans un solvant :

soluté + solvant solution p. ex. sucre + eau solution de sucre

Si les conditions changent (par exemple, la température ou la concentration de la solution) et que le liquide ne peut plus retenir le solvant, les molécules du soluté commencent à se reformer en un solide ordonné. Si elles peuvent se développer en paix sans perturbations, avec le temps les molécules peuvent s'accumuler pour former un cristal.

Les cristaux de différents matériaux ont des formes légèrement différentes, mais ces formes sont toutes régulières. C’est important, car les formes avec des surfaces plates facilitent la fixation de plus de molécules. Tu peux observer cela dans l'image de gauche, qui montre des cristaux de sel vus au microscope.

Tu peux utiliser le mot « cristal » pour décrire les petits cristaux individuels comme les cristaux de sel dans l'image ci-dessus. Tu peux également utiliser le mot « cristal » pour décrire les grands ensembles de cristaux qui ont grandi ensemble pour former une seule grande structure, comme le cristal d'améthyste dans l'image de droite.

Au cours de cette série d'activités, tu étudieras comment fabriquer des cristaux, comment ils poussent sur Terre, et s’ils poussent différemment dans l'espace.


Au cours de cette activité, tu vas fabriquer des peintures magiques invisibles que tu utiliseras dans l'activité 2 pour peindre des images magiques. Lors de la fabrication de tes peintures, tu auras besoin de réfléchir sur les états de la matière, sur ce qui arrive aux matériaux que tu mélanges, et sur tout ce qui peut avoir un effet sur la façon dont ces matériaux se mélangent.

Première étape : étudie tes substancesPour fabriquer tes peintures magiques, tu utiliseras du sel de table, du sucre et des sels d'Epsom. Tous les trois sont constitués de petits grains qui sont des cristaux. Prends quelques grains de chaque pot et étudie-les à la loupe ou au microscope. Décris leurs formes dans les cases ci-dessous, et compare les tailles et les formes des cristaux de ces trois substances.

Deuxième étape : prépare ta peinture magique

1. Prends trois gobelets en plastique. Marque-les en écrivant « Sel de table » sur le premier, « Sucre » sur le deuxième et « Sel d'Epsom » sur le troisième.

2. Remplis chaque gobelet à moitié avec de l'eau chaude fournie par ton maître ou ta maîtresse.3. Mets une cuillère à café de sel de table dans le gobelet « Sel de table », et remue l'eau pendant

30 secondes.4. Continue d’ajouter des cuillères à café de sel dans l'eau et remue jusqu'à ce que tu ne puisses

plus faire « disparaître » le sel que tu rajoutes. Note le nombre de cuillères à café de sel ajouté à l'eau dans le tableau ci-dessous.

5. Répète les étapes 3 et 4 avec le sucre et les sels d'Epsom, et note le nombre de cuillères à café de chaque substance qui a pu être ajoutée et qui s’est dissoute dans l'eau, dans le tableau ci-dessous. Tu as fini de fabriquer tes peintures magiques ! Mais avant de les utiliser, tu dois bien regarder le nombre de cuillères à café de chaque substance qui s’est dissoute dans l'eau (dans le tableau sous « Résultats »).

Résultats:Substance Sel Sucre Sel d’EpsomNombre de cuillères à café de substance dissoute dans l'eau

ACT

IVIT

É 1

Activity 1: Dissolution de solides pour fabriquer

SEL DE TABLE SUCRE SEL D’EPSOM

de la peinture magique


ACT

IVIT

Y 1

Décris ce qui s'est passé lorsque tu as ajouté du sel de table à l'eau chaude et que tu as remué :

Explique pourquoi cela s'est produit en remplissant les espaces vides avec les mots suivants :

L'état de la matière « sel » est ________________. L’état de la matière « eau » est ________________. Quand j'ai ajouté le sel à l'eau, le sel s’est _________________ dans l'eau pour former une __________________.

SOLUTION SOLIDE LIQUIDE DISSOUS

Sur le graphique ci-dessous, dessine un graphique à barres pour montrer le nombre de cuillères de chaque substance solide qui s’est dissoute dans l'eau.

Maintenant, nous savons que certains solides peuvent se dissoudre dans certains liquides. Mais que se passe-t-il s'il y a trop de solides dissous dans un liquide? Et quel rapport cela a-t-il avec l'expérience CrISStal de Thomas ?

Quand un solide se dissout dans un liquide, on dit qu'il est soluble. Quand on ne peut plus rajouter de solide pour le dissoudre, la solution obtenue est appelée une solution saturée. D’après tes résultats, lequel des trois solides est le plus soluble ?

Les personnes malades doivent parfois prendre des médicaments, généralement sous la forme d'un comprimé. Ces comprimés doivent se dissoudre dans l'estomac pour que le médicament soit absorbé par l’organisme. La façon dont un comprimé se dissout dépend de deux facteurs : 1) la façon dont un liquide peut se propager à la surface du comprimé ; 2) la façon dont le comprimé flotte à la surface d'un liquide. Ces deux effets ne peuvent pas être séparés facilement sur la Terre en raison de l'effet de la pesanteur sur le liquide. Cependant, dans l'espace, ils peuvent être étudiés séparément, ce qui permettra peut-être un jour aux scientifiques de créer des comprimés qui se dissoudront mieux. La photo de droite montre la mise en place utilisée en 2016 pour étudier pour la première fois ces propriétés à bord de l'ISS.

Le saviez-vous ? Les scientifiques étudient la dissolution dans l'espace afin d’optimiser les comprimés de demain !

Nom

bre

de c

uillè

res

de s

ubst

ance

sol

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qui

s’e

st d

isso

ute

SEL SUCRE SEL D’EPSO


ACT

IVIT

É 2

Instructions:

1. Prends une feuille de papier noir. En utilisant du ruban adhésif coloré ou un stylo de couleur or ou argent, divise la feuille en trois sections égales. Marque-les en écrivant « Sel» sur la première, « Sucre » sur la deuxième et « Sel d'Epsom » sur la troisième.

2. Trempe un coton-tige ou un pinceau dans le mélange de sel et d'eau. Peins un motif dans la section « Sel » de ta feuille. Tu devras peut-être tremper ton coton-tige ou ton pinceau dans le mélange plusieurs fois, car il sèchera après quelques secondes.

3. Trempe un nouveau coton-tige ou pinceau dans le mélange de sucre et d'eau et peins une image dans la section « Sucre » de ta feuille.

4. Répète ceci encore une fois avec le sel d'Epsom.5. Une fois tes images terminées, place-les dans un endroit chaud pour les sécher. Tu peux accélérer

le chauffage en utilisant un radiateur ou un sèche-cheveux.

Décris tes images immédiatement après les avoir peintes.

Décris ce que sont devenus tes images après 30 minutes. Qu'est-ce qui s’est formé aux endroits que tu as peints avec les solutions ?

Où l'eau est-elle partie ? _______________________

These magic pictures are a great way to see crystals forming quickly, but the crystals produced are very small – far too small to be used in Thomas’ experiment on the ISS. So how can we make bigger crystals?

Cette activité fait suite à l'activité 1. Tu vas étudier ce qui arrive à tes trois solutions saturées lorsque tu les utilises pour dessiner des images sur du papier noir.

Activity 2 : Création d’images magiques

L'un des grands problèmes auxquels sont confrontés les astronautes qui vivent à bord de l'ISS est la perte de masse osseuse. Au fil du temps, le calcium est éliminé des os (décalcification), ce qui peut conduire à affaiblir et fragiliser le squelette. Les astronautes dans l'espace peuvent aider à prévenir ce phénomène en faisant beaucoup d'exercice, mais un autre problème lié à la perte de calcium les guette : les calculs rénaux. Les calculs rénaux sont des cristaux qui se forment dans la vessie en cas d’excès de calcium dans les urines. Ils peuvent être extrêmement douloureux, et potentiellement très dangereux. Confrontés à ce problème de décalcification, les astronautes pourraient être particulièrement à risque. En améliorant la compréhension de la croissance des cristaux dans l'espace, nous pouvons contribuer à empêcher que cela devienne un problème pour les astronautes.

Le saviez-vous ? Les cristaux pourraient être dangereux pour les astronautes !


ACT

IVIT

É 3

Tu auras besoin des éléments suivants :

Préparation des étoiles

1. Coupe l’un des fils chenille en trois segments égaux.

2. Prends trois segments et lie-les par leur milieu en les tordant ; tire sur les extrémités pour former une silhouette d’étoile à six branches.

3. Attache (en la tordant) l’une des extrémités de l'autre fil chenille au-tour du centre de l'étoile. Enroule l'autre extrémité autour du centre d'un crayon.

Dans l'expérience CrISStal à bord de l'ISS, Thomas Pesquet a fait pousser un grand cristal pour le comparer avec celui que vous allez cultiver. Alors que les cristaux, comme le sel et le sucre, sont tout autour de nous et faciles à trouver, ils sont trop petits pour être étudiés facilement. Au cours de cette activité, tu vas créer de plus grands cristaux en fabriquant ta propre étoile de cristal.

Création d’une étoile de cristal dans un bocal

• 2 fils chenille (« cure-pipe »)• Ciseaux• Bocal de confiture ou pot en verre• Eau chaude

• Sel• Cuillère à café ou agitateur• Crayon à papier

Préparation de la solution de cristal

1. Verse de l'eau chaude dans le bocal pour obtenir un niveau à 2 cm environ du haut du bocal.2. Ajoute le sel à l'eau chaude à raison d’une cuillère à café à la fois, et remue doucement jusqu'à

ce que le sel soit totalement dissous. 3. Continue à ajouter du sel en remuant jusqu'à ce qu’il n’y ait plus rien à dissoudre : tu as ob-

tenu une solution saturée.

Mise en place pour la croissance des cristaux

1. Place le crayon avec la forme d’étoile en fil chenille sur le bocal de solution de sel, en prenant soin de plonger toute l’étoile dans la solu-tion. Tu peux fixer le crayon au sommet du bocal avec du ruban ad-hésif si tu le souhaites.

2. Laisse le bocal dans un endroit où il ne ne sera pas dérangé pendant quelques jours, et observe ce qui se passe. Tu peux prendre des pho-tos pour voir les étapes de développement de ton étoile.

3. Au bout de quelques jours, retire soigneusement ton étoile de son bocal et laisse-la sécher sur une serviette en papier. Tu peux enfin admirer ta propre étoile de cristal !


Discussion :

Compare ton étoile aux étoiles des autres élèves de ta classe. Tu voudras sûrement utiliser une loupe pour observer plus facilement les petits cristaux qui composent ta grande étoile de cristal. Sont-ils tous identiques? Certains cristaux sont-ils plus gros que d'autres? Coche les descriptions ci-dessous qui décrivent le mieux ton étoile de cristal.

Sur mon étoile, les cristaux étaient ou avaient :

ACT

IVIT

É 3

Des cuboïdes parfaits

Un seul grand cristal

Des lots de formes différentes

Surtout la même taille

Poussé tout autour de l'étoile

Un mélange de formes

Des lots de petits cristaux réunis

Tous de la même taille

Beaucoup de tailles différentes

Poussé sur certains endroits de l'étoile

Certains cristaux traversés par de l'électricité vibrent à un rythme très régulier - un peu comme le pendule sur une horloge normande. La fréquence de vibration totale du cristal ne varie jamais, et constitue donc un moyen de mesure du temps très précis. Un satellite tournant autour de la Terre doit conserver une référence de temps exacte pour conserver sa position correcte – en particulier lors de missions scientifiques clés comme la mission GOCE de l'ESA qui mesure le champ gravitationnel de la Terre (photo de droite). Les ingénieurs fabriquent en laboratoire des cristaux spéciaux, destinés uniquement aux horloges des satellites !

Le saviez-vous ? Les satellites utilisent des horloges à cristaux !


ACT

IVIT

É 3

Pourquoi des cristaux se sont-ils formés sur l'étoile ?

Paxi a quelques idées sur ce qui a provoqué la croissance des cristaux sur les fils chenille. Choisis un camarade de classe, et discutez ensemble de ces affirmations. Avec lesquelles êtes-vous d'accord et pas d'accord ? Ensuite, échangez vos points de vue avec le reste de la classe.

1) Le sel dans l'eau a réagi avec le fil chenille pour former des cristaux.

2) À mesure que l'eau s’évaporait, il restait moins d'eau dans le bocal ; comme moins de sel pouvait rester dissous dans l’eau, le sel a reformé des cristaux.

3) Des cristaux de sel se sont formés sur le fil chenille de sorte que davantage de sel a pu se dissoudre dans l'eau.

4) À mesure que l'eau refroidissait, les molécules d'eau perdaient de l'éner-gie. Comme elles se déplaçaient plus lentement, il leur était plus difficile de dissoudre le sel. C’est ainsi que le sel a reformé des cristaux.

5) Sous l’effet de la pesan-teur, le fil chenille a attiré les cristaux de sel se formant dans la solution saturée – et c'est pourquoi des cristaux sont observés sur le fil.

En utilisant cette méthode, tu as pu faire pousser de nombreux cristaux de taille moyenne sur ton étoile en fil chenille. Mais pour les utilisations scientifiques et technologiques, nous avons besoin de grands cristaux symétriques. Comment pouvons-nous faire pousser un tel cristal ?

Et pourquoi cela serait-il une bonne idée de faire pousser des cristaux dans l'espace, même si TOUTE ACTIVITÉ dans l'espace coûte cher ? Pour savoir si la culture des cristaux dans l'espace produit, ou non, de plus grands cristaux, tu devras reproduire l'expérience que Thomas Pesquet a réalisée à bord de l'ISS. Tu compareras ensuite les cristaux cultivés dans l'espace avec les cristaux cultivés ici sur la Terre.


ACT

IVIT

É 4

Tu vas reproduire l'expérience CrISStal que Thomas Pesquet a réalisée à bord de l'ISS. Par la suite, tu compareras tes résultats obtenus sur la Terre aux siens, pour savoir si les cristaux se développent différemment dans l'espace.

En classe, tu vas essayer de faire pousser un grand cristal uniforme. Un cristal uniforme est un cristal qui conserve une forme régulière. Le sel que tu vas utiliser est appelé « sel de Rochelle ». Ton maître ou ta maîtresse aura déjà préparé cette expérience en faisant pousser quelques quelques petits cristaux qui agiront comme germes cristallins.

Tu suspendras un germe cristallin dans une solution saturée de sel de Rochelle pour permettre au sel de s’extraire de la solution et de s’attacher au germe cristallin afin de générer un plus grand cristal. Ton maître ou ta maîtresse le feront peut-être eux-même, comme démonstration.

PrédictionsPense-tu qu'il y aura une différence entre ton cristal et celui de Thomas ? Sera-t-il plus grand, ou plus petit ? Sera-t-il plus, ou moins régulier ? Aura-t-il la même forme ? Poussera-t-il plus vite, ou plus lentement ? Explique tes prédictions en pensant à tout ce qui a un effet sur la croissance d'un cristal, et aux différences d’environnement sur Terre et à bord de la station spatiale.

Activité 4 : CrISStal – Les cristaux poussent-ils différemment dans l'espace ?

L’étude des cristaux de protéines (les éléments constitutifs de tous les êtres vivants - y compris vous) est importante en médecine. Certaines protéines, comme l'insuline qui contrôle les niveaux de sucre dans notre sang, sont bénéfiques pour notre santé, mais certaines peuvent causer des maladies. Pour comprendre le fonctionnement des protéines, les scientifiques doivent étudier leurs formes en fabriquant des cristaux de protéines aussi grands et uniformes que possible. Et les cristaux les plus grands et les plus uniformes sont ceux qui poussent dans l'espace ! En développant des cristaux de protéines parfaits et de grande taille dans l'espace, les maladies peuvent être mieux comprises et de meilleurs médicaments peuvent être fabriqués. L'image de droite montre que les cristaux cultivés en micropesanteur à bord de l’ISS ont une structure plus parfaite que ceux cultivés sur Terre.

Le saviez-vous ? Les cristaux cultivés dans l’espace pourraient fournir de nouveaux médicaments !

Je pense que...

Parce que...


• 1 bouteille (500 g) de sel de Rochelle• Balance de poche• Ficelle• 1 verre• 1 bol• 1 tasse à mesurer

• 1 bouilloire• Eau • 2 cuillères à café• Crayon à papier• Nacelle de pesage

AC

TIVI

TÉY

4

Instructions :

1. Observe les germes cristallins et sélectionne celui qui a une forme ré-gulière – un cube convient particulièrement bien à cette expérience.

2. Attache délicatement une ficelle autour de ton germe cristallin. Attache l'autre extrémité de la ficelle autour d'un crayon. Pose le crayon sur le verre, en laissant le germe cristallin pendre au milieu du verre.

3. À présent, prépare ta solution de sel de Rochelle. Pour cela, mesure 75 ml d'eau et verse l’eau dans un verre.

4. Chauffe ce verre d'eau en le plaçant dans un bol d'eau bouillante.5. Pèse 105 g de sel de Rochelle.6. Verse lentement, à raison d’une cuillère à café à la fois, tout le sel

dans le verre d'eau chaude en remuant constamment. Arrête de remuer seulement lorsque tout le sel se sera dissous et que tu ne verras plus de cristaux de sel dans l'eau. À ce stade, tu as obtenu une solution saturée. Lorsque l'eau commence à refroidir, la solu-tion devient « super saturée ».

7. Retire délicatement le verre chauffé du bol et laisse refroidir la solution.

8. Prends le germe cristallin avec la ficelle attachée au crayon et place le crayon sur le verre, en laissant ton cristal pendre au milieu du verre.

9. Laisse le verre pendant 4 jours dans un endroit où il ne sera pas dérangé et à l’abri de la poussière. Tu peux couvrir le verre avec un morceau de carton pour éviter que de la poussière ne pénètre dans la solution. Prends une photo de ton cristal tous les jours.

10. Après 4 jours, retire soigneusement le cristal et laisse-le sécher sur une serviette en papier.

11. Pèse ton cristal et examine-le soigneusement, en comparant sa taille et sa forme au cristal que Thomas Pesquet a fait pousser à bord de l'ISS.

Tu auras besoin des éléments suivants :

Résultats :Regarde les photos de la croissance de ton cristal que tu as prises chaque jour, et compare-les à celle de Thomas. Aide-toi de ces photos pour remplir le tableau ci-dessous et cocher la bonne colonne.Quel cristal... Cristal cultivé sur la Terre Cristal cultivé à bord de l’ISSA commencé à pousser le plus rapidement ?Était le plus uniforme (avait la forme la plus régulière) à la fin de l’expérience ?Était le plus grand à la fin de l’expérience ?


ACT

IVIT

É 4

Conclusion :Les scientifiques souhaitent étudier des cristaux de grande taille, parfaits et uniformes. Si tu devais donner des conseils à un scientifique sur la meilleure façon d’y arriver en utilisant les résultats de tes expériences, quels seraient ces conseils ? Écris une courte lettre à un scientifique à bord de l’ESA pour lui donner tes conseils.

Cher scientifique de l'ESA,Je comprends que vous devez faire pousser des cristaux très uniformes. Je peux vous donner quelques conseils basés sur mes expériences.1) Le matériau que je vous recommande d'utiliser pour vos cristaux est ______________________________________________________

Je vous le recommande, parce que ________________________________________________________________________________________________________________________

2) Les conditions de culture des cristaux que je recommande sont les suivantes :__________________________________________________________________________________________________________________________________________

Voici les raisons de mes recommandations :________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Cordialement,_________________

Recherche pour l’humanité !Que ce soit pour fabriquer des horloges plus précises sur la planète (et dans l’espace), améliorer des médicaments, et assurer la bonne santés des astronautes qui séjournent dans l’espace, la compréhension et l’étude des cristaux sont extrêmement importantes.

Grâce à l’ISS, qui est un laboratoire unique en orbite dans lequel rien n’est soumis aux effets de la pesanteur, des cristaux plus grands et plus uniformes peuvent être cultivés. Cela peut déboucher sur des progrès pour les entreprises, les scientifiques, et toutes les personne sur notre planète. Dans l'espace, les choses les plus étonnantes peuvent véritablement naître à partir de presque rien...comme de tout petits germes cristallins !

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