As proteínas nada mais são do que milhares de átomos fracamente ligados para formar grandes moléculas. O corpo humano possui mais de 100 mil diferentes tipos de proteínas essenciais à vida. O mesmo acontece com os vírus, que também possuem proteínas essenciais à sua atividade. Por isso, é importante conhecer a estrutura das proteínas e, a partir daí, ser capaz de projetar drogas que interfiram em sua atividade. A determinação da estrutura dos cristais de proteína é geralmente feita por difração de raio-X. Esse processo requer cristais relativamente grandes, homogêneos e livres de defeitos. No entanto, a gravidade terrestre dificulta o processo de crescimento destes cristais de proteína, devido aos 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. 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 isso, é possível 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, pesquisar quais medicamentos podem interagir 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 usados na Terra, efeitos de fluxo e sedimentação separam as células uma das outras, limitando o número de células disponíveis para agregação. Em microgravidade, esses efeitos não ocorrem, podendo tornar possível, no futuro, a produção de tecidos com estado de maturação semelhantes aos encontrados no corpo humano.

Os semicondutores, que podem se apresentar de forma cristalina, revolucionaram a indústria eletrônica. Eles tem tido um impacto incrível em nossa sociedade. Eles são encontrados nos chips de microprocessadores e em transístores. Tudo que é computadorizado ou que utiliza ondas de rádio depende de semicondutores. Atualmente, a maioria dos chips semicondutores e transístores é produzida com silício. Expressões como "Vale do Silício" e "Economia do Silício" existem porque o silício é o coração de qualquer aparelho eletrônico. Apesar do avanço na tecnologia do crescimento de cristais semicondutores, existem ainda alguns problemas que precisam ser resolvidos. O silício, por exemplo, apresenta problemas com contaminantes, como o oxigênio, que não são facilmente removíveis pelos métodos normalmente utilizados. Preparar silício ultra-puro em microgravidade, sem a utilização de cadinhos e sob ultra alto vácuo na esteira de um veículo espacial orbital poderá contribuir para um novo patamar na pesquisa de materiais de alta pureza.

Durante a solidificação de metais e ligas (combinação de metais), os átomos dos materiais podem se ordenar em diferentes tipos de arranjos, conhecidos como estrutura cristalina. Estas estruturas dependem do formato, que pode ser planar, celular ou dendrítica. A presença de convecção pode afetar o seu formato, bem como mascarar outros fenômenos físicos importantes (tensão superficial, difusão, magnetismo). Em microgravidade, a convecção “gravitacional” é reduzida, possibilitando o controle, durante a solidificação, e também o estudo da influência de outros fenômenos difíceis de serem avaliados na Terra. Outra importante aplicação é a formação de ligas especiais, uma vez que, com a eliminação da influência da densidade, pode-se obter uma liga de composição homogênea, formada por dois elementos que são imiscíveis sob ação da gravidade.

A capacidade de um material conduzir eletricidade é basicamente determinada pelas suas propriedades químicas e pela sua estrutura cristalina. Um material semicondutor com o mais perfeito arranjo cristalino nem sempre possui as características necessárias para a fabricação de um determinado dispositivo eletrônico mas, por meio da adição de pequenas quantidades de impurezas (dopantes), é possível mudar drasticamente as suas propriedades eletrônicas.

Em microgravidade, é possível obter semicondutores com menos defeitos e com maior grau de homogeneidade na sua composição, melhorando com isso o desempenho dos dispositivos eletrônicos. Os estudos realizados em metais e ligas também podem ser aplicados nos materiais semicondutores. destes materiais é fortemente influenciado pela ação da gravidade.

Os vidros e os materiais cerâmicos podem apresentar, sob certas circunstâncias, melhores propriedades que os metais. Em aplicações que envolvem altas temperaturas ou choques térmicos, como nos concretos refratários usados na fabricação de fornos, resistências elétricas (carbeto de silício) e de cadinhos (quartzo e alumina), usados em crescimento de cristais, os materiais cerâmicos conseguem, em geral, manter a neutralidade química e a estabilidade de suas propriedades mecânicas. Estas características também são importantes nos componentes cerâmicos utilizados em motores, turbinas e dispositivos termoelétricos. Tanto os vidros como os materiais cerâmicos podem trincar sob a ação de uma tensão, devido à presença de pequenas falhas formadas durante o seu processamento. Realizando experiências em microgravidade, espera-se poder determinar e controlar os fatores que provocam o surgimento destas falhas.

São macromoléculas orgânicas que podem interagir com a eletricidade e a luz por processos não usuais, e que serão em breve aplicados nos sistemas de comunicação e informática. As propriedades dos polímeros podem ser alteradas por meio da manipulação da ligação entre as moléculas individuais do material. Em microgravidade, sem os efeitos da sedimentação e convecção, é possível obter cristais poliméricos de maiores dimensões e também permite estudar, de maneira mais sistemática, a influência de variáveis como temperatura e tamanho das unidades poliméricas nos mecanismos de crescimento.

A realização de experimentos em ambiente de microgravidade possibilita observar diversos fenômenos físicos que ocorrem nos fluídos mas que, normalmente, são encobertos pela ação dos efeitos gravitacionais. O principal é o fenômeno da convecção, que ocorre em função da variação de densidade num fluído como resultado da existência de diferença de temperatura. O número que mede a “intensidade” da convecção é o número de Rayleigh. Outros efeitos que também estão relacionados com a força da gravidade são: pressão hidrostática, sedimentação e flutuação (ver em convecção).

A primeira foto acima mostra pequenas bolhas de gás sendo carregadas do fundo de um recipiente aquecido para sua superfície, por fluxos convectivos produzidos pela gravidade. Na foto seguinte, 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.

A análise da “fluidez” do solo sob pressão pode ajudar a engenharia civil a projetar construções apropriadas em regiões sujeitas a terremotos. O projeto de máquinas como bombas, compressores, trocadores de calor e motores, torna essencial o conhecimento das propriedades dos fluídos para a engenharia mecânica, assim como o estudo do fluxo de ar em torno de objetos é de fundamental interesse para a engenharia aeroespacial no projeto de aviões e foguetes.

Em ambiente de microgravidade é possível a realização de experiências sem a influência dos efeitos gravitacionais, como a convecção e a sedimentação. Por exemplo, na Terra, durante a queima de uma vela, há ocorrência de convecção provocada pela diferença de densidade entre o gás quente produzido pela reação e o ar mais frio em volta da chama. O movimento ascendente do gás quente faz com que a base da chama seja alimentada com o ar frio, que contém o comburente (no caso, o oxigênio), necessário para manter a continuidade da queima. Todos os produtos resultantes da combustão (dióxido de carbono, vapor de água e fuligem) são também deslocados pela mesma convecção, que é o mecanismo dominante de transporte de moléculas dentro da chama.

Na Terra, o formato e a cor da chama de uma vela são resultado dos efeitos de convecção (a), enquanto que, no espaço, o mecanismo predominante é o da difusão molecular (b).

Pode-se concluir que a pesquisa realizada em microgravidade permite estudar diversos fenômenos que, normalmente, são mascarados pela ação da gravidade. Desse modo, é possível verificar com mais detalhes outros mecanismos que também estão presentes nos processos de combustão e ficam mascarados sob o efeito da gravidade terrestre.

Abaixo são listadas algumas importantes áreas de pesquisa de combustão em microgravidade.

Refere-se ao estudo das chamas dos gases com mistura de combustível e comburente previamente à ignição. Há interesse em saber com que velocidade as chamas se movem desde o ponto de ignição até a região de mistura de gases não queimados. Se a mistura possui pouco ou muito combustível, não ocorrerá a combustão. Os limites inferiores e superiores da quantidade de combustível necessário para o deslocamento da chama são diferentes na Terra e no espaço por causa da convecção. Este estudo pode auxiliar no aperfeiçoamento da segurança dos veículos espaciais e também da eficiência dos combustíveis.

Refere-se ao estudo da chama quando os gases do combustível e do comburente são mantidos separados antes da ignição. Os dois gases são misturados pelo processo lento de difusão e, na microgravidade, a queima produz a fuligem de uma forma mais lenta por causa da ausência da convecção. Isso possibilita um melhor estudo da formação e aglomeração das partículas de fuligem, sendo útil para os métodos de controle de poluição atmosférica.

São usados em modelos simples de combustão para simular as formas de combustão mais complexas. Como o formato das gotículas é simétrico, torna-se mais fácil o estudo do seu comportamento. Na Terra, a gravidade provoca a convecção das gotículas e do comburente, fazendo com que o combustível se queime de forma irregular, dificultando o seu estudo. Por outro lado, em microgravidade, a queima ocorre de forma regular, facilitando o entendimento dos processos básicos de combustão.

O estudo de núvens de partículas é importante para prevenir explosões em minas de carvão e em silos de armazenamento de grãos. Na Terra, as partículas sofrem o processo de sedimentação, mas, no espaço, as partículas podem permanecer misturadas aleatoriamente com o ar, permitindo uma melhor observação das condições de ocorrência destas explosões.

Este tema procura avaliar como as chamas se espalham em superfícies sólidas (como paredes e portas) e em superfícies líquidas (como em derramamento de combustíveis). Por causa da ausência de convecção, as chamas em ambiente de microgravidade se espalham de modo diferente daquelos que são observados na Terra. Os resultados desta pesquisa podem auxiliar na prevenção de incêndios em ambientes submetidos a diferentes níveis de gravidade no espaço.

Trata dos processos para a obtenção de um novo material a partir da mistura e reação exotérmica de dois ou mais elementos químicos distintos. As propriedades dos materiais obtidos dependem de variáveis tais como a composição, pressão, temperatura de pré-aquecimento e também dos fluxos convectivos criados durante a combustão. Em microgravidade pode-se eliminar esta última variável, permitindo um melhor controle e observação da combustão durante o processamento do material.

Refere-se a um tipo de combustão relativamente lenta, sem a presença da chama, envolvendo um material sólido poroso e um gás comburente. Um exemplo típico é o processo de queima dos cigarros e dos charutos, mas a combustão lenta também pode ocorrer em espumas de poliuretano, usadas normalmente na fabricação de colchões. O material poroso tende a se evaporar, e uma alta concentração do material gasoso pode reagir subitamente em contato com um fluxo de vento ou com um outro material comburente. O estudo deste processo em microgravidade é importante para a segurança dos veículos espaciais.