Quelle: Hochschule Bonn-Rhein-Sieg.

9. September 2021 – Am Sonntag, 29. August 2021, ist der Raumtransporter Dragon zur Internationalen Raumstation (ISS) gestartet. Die ISS-Versorgungsmission namens SpaceX CRS-23 – es handelt sich um den 23. kommerziellen Start des Dragon – hat neben 35 weiteren Experimenten aus Deutschland auch ein gemeinsames Experiment der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR e.V.), der Universität des Saarlandes und des University College London (Centre for Nature Inspired Engineering) an Bord. Am Donnerstag, 16. September 2021, wird ESA-Astronaut Thomas Pesquet auf der ISS das Experiment „Touching Surfaces“ installieren und den ersten Test durchführen.

Das Experiment mit Beteiligung der H-BRS nennt sich „Touching Surfaces“. Prof. Dr. Ralf Möller, Projektleiter am Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften der Hochschule, erklärt: „Mikroorganismen sind in der Raumfahrt so präsent wie auf der Erde. Sie erreichen das All über Equipment, Experimente und über die Astronauten selbst. Sie verbreiten sich so über die ganze Raumstation und entwickeln eine ganz eigene Mikroflora.“ Diese könne sich unter den Bedingungen des Weltraumfluges verändern, so Möller weiter. Entstehende Biofilme können aber nicht nur Auswirkungen auf die Gesundheit der Astronauten haben, sie können sogar zu Materialschäden führen.

Antimikrobielle Oberflächen für stark frequentierte Räume

Folglich wäre die Verwendung neuartiger antimikrobieller Oberflächen eine alternative Strategie gegenüber dem Einsatz herkömmlicher Reinigungsverfahren oder von Desinfektionsmitteln, um das mikrobielle Wachstum und die Bildung von Biofilm zu hemmen. So wichtig die erhofften Ergebnisse für die Raumfahrt auch sind, so sicher könne das am besten geeigneten Design für „biozide“ Oberflächen sich auch für Anwendungen auf der Erde zum Einsatz kommen, ist sich Möller sicher. Der Professor für Weltraummikrobiologie der H-BRS und des DLR nennt öffentliche Verkehrsmittel, klinische Bereiche oder die Gestaltung von Wohnräumen – oder als Zukunftsvision bemannte Raumfahrtmissionen. Überall, wo viele Menschen auf engen Raum interagieren und eine spezielle Hygiene notwendig ist.

Oberflächen aus Kupfer, Messing und Stahl sind auf der ISS im Test. Oberflächenmuster in der Größenordnung einzelner Mikroorganismen vergrößern die Kontaktfläche zwischen Oberfläche und Mikroben. Die unterschiedliche Oberflächenstrukturierung im Experiment untersucht die bakterielle Anhaftung und die antimikrobielle Wirksamkeit der verschiedenen Materialien.

Neuartige Nanostrukturen mittels Laser

Insgesamt werden fünf sogenannte Touch Arrays zur ISS geschickt. Die ESA Astronauten Thomas Pesquet und Matthias Maurer werden die Touch Arrays in regelmäßigen Abständen während ihrer Missionen berühren. Insgesamt werden die Touch Arrays mindestens 15-mal angefasst. Die Touch Arrays werden in der Raumstation an häufig und seltener genutzten Stellen angebracht, dies erlaubt eine Beobachtung bezüglich der Verteilung von Mikroorganismen innerhalb der ISS.

Bevor Touching Surfaces weltraumtauglich war, untersuchte das Team um Professor Möller die antimikrobielle Wirkung verschiedener metallischer Oberflächen bereits in Laborexperimenten. Die Forschergruppe entwickelte eine maßgeschneiderte Funktionalisierung der metallischen Oberflächen mit einzigartigen Nanostrukturen mittels einer ultrakurz gepulsten direkten Laserbehandlung.

„Da wir die Versuche mit den Touch Arrays, wie sie nun auch auf der ISS zu finden sind, auch im Labor durchgeführt haben, können wir erstens herausfinden, welche Arten von Mikroorganismen sich unter Weltraumbedingungen und durch Berührungen der Astronauten auf den Oberflächen festsetzen. Die Wirksamkeit der laserstrukturierten Oberflächen im Weltraum im Vergleich zur Erde ist ein zweiter Punkt, dem wir entgegenfiebern“, sagt Ralf Möller und fiebert jetzt schon den Ergebnissen entgegen. Die Auswertungen von Touching Surfaces findet unter anderem im Microbiome Center der H-BRS statt.

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Neuartige Oberflächen gegen Bakterien: Forschungsproben fliegen zur ISS (26. August 2021)

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Quelle: DLR.

27. August 2021 – „Für uns ist diese Versorgungsmission besonders wichtig, weil acht deutsche Experimente mit SpaceX-CRS 23 zur ISS fliegen, mit denen Matthias Maurer während seiner Mission arbeiten wird“, erklärt Volker Schmid, ISS-Fachgruppenleiter und „Cosmic Kiss“-Missionsleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn. „An Bord sind fünf wissenschaftliche Experimente aus den Bereichen Medizin, Materialwissenschaften und Physik und zudem drei Experimente aus dem Bereich Nachwuchs- und Schulprojekte.“

Hier die vom DLR beigestellten Experimente von SpaceX-CRS 23 auf einen Blick:

Thermo Mini – Körperkerntemperatur überwachen

Mit dem Thermo-Mini-System können Wissenschaftler kontinuierlich die Körperkerntemperatur von Astronautinnen und Astronauten aufzeichnen. Denn der Aufenthalt im All und dortige Aktivitäten führen zu einem signifikanten Anstieg der Körperkerntemperatur. Die genauen Ursachen hierfür sind bislang unbekannt. Der Temperaturanstieg stellt eine potenzielle Gefahr dar. Thermo-Mini besteht aus Sensoren und einem Stirnband, das einfach getragen werden kann und kontinuierlich die Körperkerntemperatur beobachtet. Während der 36. DLR-Parabelflugkampagne im Juni 2021 wurde das Thermo-Mini-Modell für seinen Einsatz in Schwerelosigkeit getestet. Wissenschaftlicher Hauptpartner bei Thermo-Mini ist die Charité Universitätsmedizin in Berlin, Industriepartner sind die KORA GmbH und die Dräger GmbH, die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR stellt die Hardware.

Retinal Diagnostics – Veränderungen der Sehnerven erkennen

Zu den Technologietests, die Matthias Maurer während seiner Mission auf der ISS durchführen wird, gehört das Technologietransferprojekt „Retinal Diagnostics“, bei dem aus der Forschung des DLR-Institutes für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln eine mobile, KI-gestützte Diagnostik zur Augengesundheit von Astronautinnen und Astronauten entwickelt wird. Veränderungen an den Sehnerven sind eine der schwerwiegendsten Beeinträchtigungen, die durch Schwerelosigkeit auftreten können. Die Untersuchungen sind aber auch für die neurologische Notfallmedizin auf der Erde bedeutsam. Bei dem Einsatz auf der ISS soll daher zur Vorsorge und Diagnostik der Sehnervenkopf mithilfe von Aufnahmen mit einer sehr kleinen, leichten Kamera vermessen werden. So sollen Veränderungen nachverfolgt, aber auch der Erfolg eingesetzter Gegenmaßnahmen ermittelt werden. Zukünftig soll das Gerät mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz selbsttätig feststellen können, ob entsprechende Veränderungen am Auge vorliegen. Die Lösung dieses Problems ist von entscheidender Bedeutung für künftige Mond- und Marsmissionen. Beteiligte sind das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, das DLR Technologiemarketing und das Europäische Astronautenzentrum EAC in Köln.

MetabolicSpace – Atemgas-Analyse zeigt Leistungsfähigkeit

Ziel von MetabolicSpace, einem industriemotivierten Experiment, ist die Entwicklung eines persönlichen, smarten, am Körper tragbaren Atemgas-Analyse-Systems, das die Beweglichkeit nicht einschränkt. Es soll einfach bedienbar sein, Daten automatisch auswerten und die körperliche Leistungsfähigkeit feststellen. Hierzu wird ein kardiovaskuläres Belastungsprofil entwickelt, so dass Astronautinnen und Astronauten nicht an ihrer Belastungsgrenze trainieren müssen.

Die bisherigen Systeme bestehen aus einem Maskensystem, welches am Kopf oder an einem Gestänge befestigt ist. Über Schläuche werden die Gase zu einer externen Einheit abgesaugt und in dieser durch verschiedene Sensoren analysiert. Die Schläuche zwischen Maske und externer Einheit erlauben dabei kein frei bewegliches Training und das Leistungsverhalten wird verfälscht. Verfahren zur automatischen Datenauswertung mit Selbstdiagnosefunktion und einfach verständlicher Anzeige, insbesondere für den nicht medizinischen Sportbereich, werden am Markt bisher nicht angeboten.
Die Erkenntnisse können auch für Leistungssportler genutzt werden. Partner sind das Institut für Luft- und Raumfahrttechnik der Technischen Universität Dresden und die CORTEX Biophysik GmbH, Leipzig.

Touching Surfaces – antimikrobielle Oberflächen im Test

Langzeitaufenthalte von Astronautinnen und Astronauten in einer Raumstation führen dazu, dass sich aus den mitgeschleppten Mikroorganismen eine eigene Mikroflora entwickelt. Dies kann Auswirkungen auf die Gesundheit der Astronauten haben – insbesondere, wenn sich die Zusammensetzung der Mikroflora unter den Bedingungen des Weltraumfluges verändert. Zudem hat sich gezeigt, dass entstehende Biofilme sogar zu Materialschäden führen können. Bei „Touching Surfaces“ werden neuartige Oberflächen auf deren antimikrobielle Wirksamkeit unter Weltraumbedingungen untersucht und getestet. Solche „bioziden“ Oberflächen können zukünftige Maßnahmen zur Kabinenhygiene im All und auf der Erde maßgeblich unterstützen. Diese neuen Oberflächen können in allen Bereichen eingesetzt werden, wo antibakterielle Hygiene eine Rolle spielt. Beteiligte sind das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, die Universität des Saarlandes, das University College London und die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg.

BIOFILMS – Entstehung bakterieller Biofilme verstehen

Mit dem Experiment BIOFILMS werden auf der ISS neuartige, antimikrobielle metallische Oberflächen auf die Bildung von bakteriellen Biofilmen hin untersucht. Mittels Laser-Technologie wurden vorbereitend Nano-Strukturen auf verschiedenen Oberflächen erzeugt, die verhindern, dass sich Bakterien auf den Oberflächen ansiedeln sollen. Ziel ist es, unter Weltraumbedingungen die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Oberflächen und den Bakterien/Biofilmen zu analysieren. Übergeordnetes Ziel ist die Eindämmung der Kontamination mit Mikroorganismen in der Raumfahrt und die Verhinderung von Materialschädigungen. Diese Verfahren dienen dem grundlegenden Verständnis der Bildung von Biofilmen und können auch eine Rolle bei der Reduktion von Keimbelastungen beispielsweise in Krankenhäusern oder in der Industrie spielen.

Partner sind die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR, das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, die Universität des Saarlandes und die ESA.

Nationale Grundschulaktion „Space Seeds II – Weltraumblumen beobachten“

Bei der Mitmach-Aktion „Space Seeds II“ forschen Grundschulkinder mit Wildblumensamen, die mit SpaceX-CRS-23 zur ISS fliegen und nach der Cosmic Kiss-Mission wieder zur Erde zurückkehren. Wie haben die Samen die Reise ins All überstanden? Dazu findet ein Schulwettbewerb im Schuljahr 2022/23 statt. Teilnehmen dürfen Grundschulkinder der dritten und vierten Klassen. Die Klassen erhalten neben begleitendem Unterrichtsmaterial die „Space Seeds“ aus dem All und Vergleichssamen zum Aussäen und Beobachten. Kinder werden so selber zu Forschenden und gleichzeitig sensibilisiert für das Thema Biodiversität und den Schutz unseres einmaligen Planeten. Beteiligte Partner sind die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR, die Rieger-Hofmann GmbH und das BioTESC an der Universität Luzern (Schweiz).

Einmal Weltraum und zurück – über 1.000 Kinder „umkreisen“ die Erde an Bord der ISS

„Hand in Hand um die Welt“ – unter diesem Titel hatte das DLR im Herbst 2020 zu einer großen Mitmach-Aktion aufgerufen. Hierbei haben trotz der schwierigen Corona-Rahmenbedingungen in den Schulen über 1.000 Grundschulkinder ab der 3. Klasse ihr eigenes „Klassen-Selfie“ gemalt. Dabei mussten sich alle Kinder so zeichnen, dass sie sich in einer langen Reihe die Hände geben, so dass aus den 30 Gewinner-Bildern auf einem zehn Meter langen Textilstreifen zusammengefügt eine Menschenkette entsteht. Dieser Textilstreifen fliegt jetzt ebenso an Bord von SpaceX CRS-23 zur Internationalen Raumstation ISS. Aber auch alle anderen Kinder, die mitgemacht haben, sind Gewinner: Denn auch ihre Bilder werden mit an Bord der ISS sein – und zwar in digitaler Form auf einem USB-Stick gespeichert. Beteiligte: DLR-Standort Braunschweig, Ausbildung Feinwerkmechaniker und DLR_School_Lab

Dzhanibekov-Experiment – Faszination Rotation in Schwerelosigkeit

Ein verblüffender Effekt, den schon der Kosmonaut Dzhanibekov 1985 im All bemerkte, wird bei diesem Experiment genauer untersucht – und zwar mit verschiedenen Duplo-Figuren. Es geht dabei um die seltsame Taumelbewegung eines mehrachsigen Objektes. Dabei wechselt sich die scheinbar stabile Rotation plötzlich mit einem schnellen Wenden und Kippen der Drehachse ab. Der Versuch wird auch dazu genutzt, Jugendliche für die oftmals überraschende „Welt der Physik“ zu begeistern. Partner sind die Wilhelm-Löhe-Schule in Nürnberg, das DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum und ESA Education.

Weitere Experimente der „Cosmic Kiss“-Mission werden im November mit dem Start von Matthias Maurer zur ISS gebracht sowie mit dem nachfolgenden Versorgungsflug SpaceX CRS-24, der voraussichtlich im Dezember 2021 startet.

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Quelle: Universität des Saarlandes.

26. August 2021 – Bakterien könnten im All zum Problem werden. Wie auf der Erde besiedeln Mikroorganismen auch die hier vom Menschen geschaffenen Lebensräume. Sie können mit Versorgungslieferungen an Bord kommen, aber vor allem stammen sie von den Menschen selbst, die von Natur aus mehr Bakterien auf und im Körper beherbergen als eigene Zellen. Auf der ISS waren bislang fast 250 Astronautinnen und Astronauten. Da kommt auch im Mikrokosmos einiges zusammen. Auf Griffen, Hebeln, Knöpfen, überall können sich Bakterien ansiedeln und Biofilme bilden, eine Schleimschicht, in deren Schutz sie beste Bedingungen haben. Die allermeisten der Bakterien sind harmlos. Es könnten aber auch gefährliche darunter sein, die die Situation im All ausnutzen: Das Immunsystem auch der fittesten Raumfahrerinnen und Raumfahrer wird in der Schwerelosigkeit schwächer. Die Mutationsrate der Bakterien hingegen ist durch die energiereiche Strahlung im Weltall höher.

„Wir entwickeln verschiedene neuartige Oberflächen, die verhindern, dass sich solche Biofilme bilden“, sagt Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes. „Ziel ist, dass sich bei Weltraummissionen innerhalb der Raumstation keine Keime ausbreiten, die etwa durch die erhöhte Strahlenbelastung im isolierten Umfeld auch stärker mutieren könnten. Dies ist wichtig vor allem auch mit Blick auf die Zukunft, wenn Astronautinnen und Astronauten noch viel länger als bisher im Weltraum bleiben sollen, wie bei einem bemannten Flug zum Mars“, erklärt der Materialwissenschaftler.

Mikroorganismen können gefährlich werden für die Menschen an Bord, aber auch für die technischen Systeme: „Die Biofilme können zum Beispiel lebenswichtige Kondensatleitungen verstopfen, aber auch Materialschäden herbeiführen und so die Funktionsfähigkeit der sensiblen Technik gefährden. Bakterien bringen auf Oberflächen auch chemische Prozesse in Gang, die dazu führen, dass das Material korrodiert“, erläutert Mücklich. Auch auf der Erde könnten diese neuartigen Oberflächen helfen, den Bakterien das Leben schwerer zu machen: wie in Krankenhäusern oder Schulen, auf viel genutzten Türklinken und überall, wo viele Menschen die gleichen Dinge anfassen und benutzen. „Materialien, die für die Raumfahrt entwickelt wurden, führen oft zu Innovationen auch für den täglichen Gebrauch. Über den Vergleich der Wirkung der Mikrogravitation auf der ISS und unserer Gravitation auf der Erde lernen wir systematisch mehr über das mögliche Reaktionsspektrum der Bakterien“, sagt er.

In mehreren Forschungsprojekten forschen Mücklich und sein Team an neuen, antimikrobiellen Oberflächen. Bereits 2019 hatten sie gemeinsam mit der US-Weltraumbehörde NASA und dem MIT in Boston mehrere Probenserien laserstrukturierter Materialoberflächen zur ISS geschickt. Am 28. August treten jetzt zahlreiche Proben ihren Weg ins All an, bei denen Mücklich mit der europäischen Weltraumagentur ESA und dem Team von Professor Ralf Möller vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR zusammenarbeitet.

Für diese Mission haben die Forscherinnen und Forscher mit einer neuartigen Lasertechnik auf der Mikroebene der Oberflächen von Kupfer-, Messing- und Stahl-Proben mikroskopisch feine, periodische Strukturen „eingraviert“. „Wir verändern mit Laserinterferenz-Technologie gezielt die Mikrotopographie der Oberflächen – de facto ´ohne Chemie´. So wollen wir herausfinden, ob und wie Keime sich darauf in der Schwerelosigkeit ansiedeln und wie eine nanometergenaue Laserstrukturierung in Kombination mit antimikrobiellen Eigenschaften verhindern kann, dass sich Bakterienstämme ausbreiten“, erklärt Mücklich.

Mit seinem Team entwickelt er seit 15 Jahren die Laserinterferenz-Technologie (Direct Laser Interference Patterning -DLIP), die er zur Marktreife gebracht hat. Sie macht es möglich, mikroskopisch feine, dreidimensionale Muster zu erzeugen. „Diese Muster haben eine Dimension von wenigen Mikro- bis einigen hundert Nanometern“, sagt er. Bei den mikrostrukturierten Oberflächen der Proben, die sein Team jetzt ins All schickt, handelt es sich einmal um eine Art „Nagelbrett“ von Submikrometergröße, das es Bakterien schwer machen soll, anzudocken. Weitere haben eine Mulden-Struktur von vielen aneinandergereihten „Sesseln“ im Mikrometer-Maßstab, die es erleichtern soll, Bakterien, die hier sehr gut Platznehmen können, durch maximalen Oberflächenkontakt mit Kupfer-Ionen abzutöten. Und die Dritte Art der Oberflächen haben die Forscherinnen und Forscher so bearbeitet, dass sie absolut glatt sind und als Referenz dienen.

Insgesamt sind es 230 Proben, die jetzt an Bord des SpaceX-Versorgungsfluges zur ISS starten; jeweils rund 30 der drei verschiedenen Mikro-Strukturtypen – Nagelbrett, Sessel und glatt – auf jeweils drei metallischen Materialien: auf reinem Kupfer, auf dem Bakterien durch die Kupfer-Ionen nach kurzer Zeit absterben, auf einer Kupfer-Zink-Legierung, allen bekannt als Messing, und auf reinem Edelstahl, das keinen chemischen Einfluss haben sollte. ESA-Astronaut Mathias Maurer wird nach seiner Ankunft auf der ISS Ende Oktober das Forschungsprojekt betreuen. Maurer hat an der Universität des Saarlandes Materialwissenschaft studiert und bei Frank Mücklich seine Diplomarbeit geschrieben. Auf der ISS wird er Experimente mit den 230 Probenträgern ausführen, und diese mit unterschiedlichen Bakterienstämmen besiedeln.

Nach Abschluss der Experimente werden die Proben materialwissenschaftlich von den Forscherinnen und Forschern an der Universität des Saarlandes und astrobiologisch am DLR untersucht. Es geht darum, herauszufinden, welche Oberflächen-Laserstrukturierung durch DLIP in welcher Größenordnung unter den Weltraumbedingungen auf der ISS wie Schwerelosigkeit, Mikrogravitation und Strahlung am wirksamsten ist.
Matthias Maurer wird im Rahmen seiner „Cosmic Kiss“-Mission auch bei weiteren Experimenten mit dem Forscherteam um Frank Mücklich zusammenarbeiten.

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