20 Jahre bahnbrechende Wissenschaft auf der Internationalen Raumstation (ISS)

Seit zwei Jahrzehnten führen Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) Wissenschaft auf eine Weise durch, die nirgendwo sonst möglich ist. In etwa 250 Meilen Höhe über der Erde ist die ISS das einzige Labor für Langzeit-Mikrogravitationsforschung.

In den vergangenen 20 Jahren hat die Raumstation zahlreiche Entdeckungen, wissenschaftliche Innovationen, einzigartige Chancen und historische Durchbrüche unterstützt. Diese Forschung hilft nicht nur, weiter ins All vorzudringen, sondern kommt auch dem Leben auf der Erde zugute.

Im Folgenden werden die wichtigsten wissenschaftlichen Durchbrüche vorgestellt, die während 20 Jahren menschlicher Präsenz auf der ISS erzielt wurden.

Grundlagenforschung zu Krankheiten

Alzheimer und Parkinson, Krebs, Asthma und Herzerkrankungen – wenn eine dieser Erkrankungen Ihr Leben beeinflusst hat, hat auch die ISS-Forschung Sie betroffen. Mikrogravitationsforschung hat Wissenschaftlern, die diese Krankheiten untersuchen, neue Erkenntnisse geliefert. Ohne die Störung durch die Erdbeschleunigung konnten Alzheimer-Forscher Proteinkluster untersuchen, die neurodegenerative Erkrankungen verursachen können. Krebsforscher untersuchten das Wachstum von Endothelzellen, die die Blutversorgung im Körper unterstützen – Blut, das Tumore benötigen, um sich zu bilden. Auf der ISS gezüchtete Zellen wachsen besser als auf der Erde und können helfen, neue Krebstherapien zu testen. Forschung der Europäischen Weltraumorganisation half bei der Entwicklung diagnostischer Werkzeuge, die Atemwegsentzündungen quantifizieren – Werkzeuge, die nicht nur bei Weltraumflug-Diagnostik helfen, sondern auch auf der Erde Anwendung finden, um ähnliche Erkrankungen wie Asthma zu diagnostizieren.

Entdeckung stetig brennender kühler Flammen

Als Wissenschaftler im Flame Extinguishing Experiment (FLEX) Kraftstofftröpfchen verbrannten, trat etwas Unerwartetes auf. Ein Heptan-Kraftstofftröpfchen schien zu erlöschen, brannte aber tatsächlich ohne sichtbare Flamme weiter. Das Feuer erlosch zweimal – einmal mit und einmal ohne sichtbare Flamme. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler große Heptan-Tröpfchen beobachteten, die duale Verbrennungs- und Erlöschungsmodi aufwiesen. Die zweite Phase wurde durch das sogenannte kühle-Flammen-Chemie-Wärmefreisetzung aufrechterhalten. Wenn wir an Feuer denken, denken wir typischerweise an Hitze, aber spezielle Flammen an Bord der ISS halten die Dinge etwas kühler.

Die Entfernung der Schwerkraft aus Verbrennungsstudien ermöglicht die Erforschung der Grundprinzipien von Flammen. Kühle Flammen wurden auf der Erde erzeugt, erlöschen aber schnell. Auf der ISS können kühle Flammen Minuten lang brennen, was Wissenschaftlern eine bessere Gelegenheit gibt, sie zu untersuchen. Typische Flammen produzieren Ruß, Kohlendioxid und Wasser. Kühle Flammen produzieren Kohlenmonoxid und Formaldehyd. Mehr über das Verhalten dieser chemisch unterschiedlichen Flammen zu erfahren, könnte zur Entwicklung effizienterer, weniger schadstoffausstoßender Fahrzeuge führen und Definition und Richtung für groß angelegte Feuerlöschtests sowie die Auswahl des Feuerlöschmittels für zukünftige bemannte Erkundungsfahrzeuge liefern.

Neue Wasseraufbereitungssysteme

Die effiziente Wiederaufbereitung von Abwasser auf der Raumstation verringert die Notwendigkeit, Wasser durch Versorgungsmissionen bereitzustellen. Wenn wir tiefer ins All vordringen, wäre Nachschub unerreichbar, was diese Systeme zur Notwendigkeit macht. Das JEM Water Recovery System (JWRS) erzeugt Trinkwasser aus Urin. In der bemannten Raumfahrt wurden Urin und Abwasser früher gesammelt und gelagert oder über Bord entsorgt. Für Langzeitmissionen könnte die Wasserversorgung jedoch zu einem limitierenden Faktor werden.

Zudem haben viele Menschen weltweit keinen Zugang zu sauberem Wasser. Risikogebiete können durch Technologie, die für die ISS entwickelt wurde, Zugang zu fortschrittlichen Filtrations- und Aufbereitungssystemen erhalten. Das Water Recovery System der Station reinigt und filtert das Wasser der Station und gewinnt 93 % des von Astronauten im All genutzten Wassers zurück.

Medikamentenentwicklung

Proteinkristallwachstumsexperimente an Bord der ISS haben Einblicke in zahlreiche Krankheitsbehandlungen geliefert, von Krebs bis hin zu Zahnfleischerkrankungen. Die Untersuchung menschlicher Proteine durch Kristallisation hilft uns, mehr über unseren Körper und potenzielle Krankheitsbehandlungen zu erfahren. Eines der vielversprechendsten Ergebnisse dieser Stationsexperimente stammt aus der Untersuchung eines Proteins, das mit Duchenne-Muskeldystrophie (DMD), einer unheilbaren genetischen Störung, assoziiert ist. Eine auf dieser Forschung basierende Behandlung für DMD befindet sich in klinischen Studien. Eine weitere Untersuchung, PCG-5, zielte darauf ab, den therapeutischen Antikörper Keytruda® in einer gleichmäßigeren kristallinen Form zu züchten. Ziel war es, das Medikament so zu verbessern, dass es per Injektion statt per IV-Behandlung verabreicht werden kann.

Bekämpfung von Muskelatrophie und Knochenverlust

Weltraumstudien haben maßgeblich zu unserem Wissen über Knochen- und Muskelverlust bei Astronauten beigetragen – und wie man diese Auswirkungen abmildert. Das gewonnene Wissen gilt auch für Menschen auf der Erde, die an Erkrankungen wie Osteoporose leiden. Die Wirkung der Mikrogravitation auf Knochen und Muskeln bietet einzigartige Forschungsmöglichkeiten. Wissenschaftler haben ein Trainingsprogramm und eine Diät entwickelt, die den Knochen- und Muskelverlust, den Astronauten sonst während ihres Aufenthalts auf der Station erleiden würden, signifikant reduzieren.

Zu verstehen, wie man die Auswirkungen der Mikrogravitation auf Knochen und Muskeln abmildert, ist wichtig für zukünftige Exploration in den Teilschwerkraft-Umgebungen von Mond und Mars. Auf der Erde treten Knochen- und Muskelatrophie durch normales Altern, sitzende Lebensweise und Krankheiten auf. Die Untersuchung dieser Verluste in Mikrogravitation kann helfen, sie besser zu verstehen und potenziell Behandlungen für Menschen auf der Erde zu schaffen.

Verständnis der körperlichen Veränderungen in Mikrogravitation

Wenn Menschen zum Mars fliegen, müssen wir wissen, welchen Herausforderungen wir begegnen. Langzeitaufenthalte an Bord der Raumstation haben unerwartete Wege aufgedeckt, wie sich der menschliche Körper in Mikrogravitation verändert. Einige Astronauten entwickelten beispielsweise unerwartet Sehveränderungen, bekannt als Spaceflight-Associated Neuro-Ocular Syndrome (SANS). Nach der Entdeckung des Problems diente die ISS-Forschung als Plattform, um SANS besser zu verstehen.

NASAs Twins Study verglich Astronaut Scott Kelly während seines Jahres im All mit seinem auf der Erde gebliebenen Zwillingsbruder Mark Kelly. Sie lieferte Einblicke in die vielfältigen Auswirkungen langfristiger Weltraumflüge auf den menschlichen Körper. Ergebnisse zeigten, dass Scotts Genexpression sich veränderte und sein Körper im All angemessen auf Impfstoffe reagierte.

Nahrungsanbau in Mikrogravitation

Die Fähigkeit, ergänzende Nahrung anzubauen, kann Menschen helfen, weiter von der Erde entfernt zu forschen. An Bord der Raumstation wurden viele Techniken zum Pflanzenanbau erforscht, um sich auf diese Missionen vorzubereiten. Am 10. August 2015 probierten Astronauten ihren ersten im All angebauten Salat, und Astronauten züchten nun Rettiche im All. Acht Arten von Blattgemüse wurden in der Veggie-Anlage für Astronauten angebaut, um die besten Techniken zu verfeinern.

Neue Lösungen für Bewässerung, Beleuchtung und Pflanzenwachstum müssen getestet werden, um eine Nahrungspflanze in Mikrogravitation zu schaffen. Die ISS diente als Plattform für diese Tests und zur Überprüfung, welche Bedingungen das effektivste Pflanzenwachstum ermöglichen.

3D-Druck in Mikrogravitation

Der erste Gegenstand wurde 2014 auf der ISS 3D-gedruckt. Entwickelt von Made in Space, produzierte der Drucker Dutzende Teile, die Forscher analysierten und mit auf der Erde hergestellten verglichen. Die Analyse ergab, dass Mikrogravitation keine signifikanten Auswirkungen auf den Prozess hatte, was demonstrierte, dass ein 3D-Drucker im All normal funktioniert. Spätere Experimente nutzten recyceltes Plastik zum Drucken von Objekten. Die BioFabrication Facility machte kleine Schritte hin zum Drucken menschlicher Organe und Gewebe in Mikrogravitation, indem ultrafeine Schichten von Bioink verwendet wurden.

Das Testen von Druckern auf der ISS ebnet den Weg für zukünftige Weltraummissionen, unabhängiger von der Erde zu sein. Benötigte Gegenstände könnten 3D-gedruckt werden, anstatt von der Erde geschickt und für die gesamte Reise mitgeführt zu werden. Die Verwendung von recyceltem Material für den Druck könnte Material nutzen, das sonst begrenzten Stauraum auf Langzeitmissionen beanspruchen würde.

Reaktion auf Naturkatastrophen

Mit handgeführter Kamerabilder der Besatzung als Kernkomponente ist die Station zu einem aktiven Teilnehmer bei der orbitalen Datenerfassung zur Unterstützung von Katastrophenreaktionsaktivitäten sowohl in den USA als auch im Ausland geworden. Astronauten fotografieren Katastrophen wie Stürme und Brände während ihres Verlaufs, dokumentieren Wolkendecke, Überschwemmungen und Veränderungen am Land. Der auf der ISS montierte Lightning Imaging Sensor erkennt die Verteilung und Variabilität von Blitzen, um die Vorhersage von Schwerwetter zu verbessern. Diese Daten ermöglichen fundiertere Reaktionen auf Katastrophen aus einer Perspektive, die von der Erde nicht gewonnen werden kann.

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