Quelle: NASA, 10. Oktober 2024.

Washington, 9. Oktober 2024 – Während der 25,5-tägigen Mission um den Mond und zurück wurden im Inneren von Orion mit 5.600 passiven Sensoren und 34 aktiven Strahlungsdetektoren Strahlungsmessungen durchgeführt, die wichtige Daten zur Exposition innerhalb des Van-Allen-Strahlungsgürtels der Erde lieferten. Diese detaillierten Ergebnisse wurden kürzlich in einem wissenschaftlichen Artikel veröffentlicht, der in Zusammenarbeit zwischen der Space Radiation Analysis Group der NASA, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) entstanden ist. Die Messungen zeigen, dass das Raumschiff Orion die Besatzung bei Mondmissionen vor potenziell gefährlichen Strahlungswerten schützen kann, auch wenn die Strahlenbelastung je nach Position im Raum variieren kann.

Die Strahlung im Weltraum könnte ein großes Risiko für Langzeitflüge von Menschen darstellen, und die Ergebnisse der Artemis-I-Mission sind ein entscheidender Schritt für die künftige Erforschung des Weltraums durch Menschen über die niedrige Erdumlaufbahn hinaus, zum Mond und schließlich zum Mars.

Zu den Instrumenten, die zur Messung der Strahlung in Orion eingesetzt wurden, gehören der HERA (Hybrid Electronic Radiation Assessor) der NASA und das aktive Dosimeter der Besatzung, die zuvor auf der Internationalen Raumstation getestet wurden, sowie das aktive Dosimeter der ESA. Der Strahlungssensor von HERA kann die Besatzungsmitglieder warnen, wenn sie im Falle eines Strahlungsereignisses, z. B. einer Sonneneruption, Schutz suchen müssen. Das aktive Crew-Dosimeter kann Daten über die Strahlungsdosis der Astronauten in Echtzeit erfassen und zur Überwachung an die Erde übermitteln. Die Strahlungsmessungen wurden in verschiedenen Bereichen des Raumfahrzeugs durchgeführt, die jeweils unterschiedlich gut abgeschirmt sind.

Darüber hinaus wurden im Rahmen des Matroshka AstroRad Radiation Experiment, einer Zusammenarbeit zwischen der NASA und dem DLR, Strahlungssensoren an und in zwei lebensgroßen Puppenoberkörpern angebracht, um die Auswirkungen von Strahlung auf menschliches Gewebe zu simulieren. Diese Puppen ermöglichten Messungen der Strahlungsdosen an verschiedenen Körperteilen und lieferten wertvolle Erkenntnisse darüber, wie sich die Strahlung auf Astronauten auswirkt, die in den Weltraum reisen.

Die Forscher fanden heraus, dass die Orion-Konstruktion die Besatzung bei Mondmissionen vor potenziell gefährlichen Strahlungswerten schützen kann. Obwohl die Strahlungsabschirmung des Raumfahrzeugs wirksam ist, kann der Bereich der Strahlenbelastung je nach Ausrichtung des Raumfahrzeugs in bestimmten Umgebungen stark variieren. Als Orion während der Zündung der kryogenen Zwischenantriebsstufe seine Ausrichtung änderte, sank die Strahlung aufgrund der stark gerichteten Strahlung im Van-Allen-Gürtel fast um die Hälfte.
„Diese Strahlungsmessungen zeigen, dass wir eine wirksame Strategie für das Management der Strahlungsrisiken im Orion-Raumschiff haben. Dennoch bleiben wichtige Herausforderungen bestehen, insbesondere bei Langzeit-Raumflügen und zum Schutz der Astronauten bei Weltraumspaziergängen“, sagte Stuart George, der Hauptautor der NASA-Studie.
Die langfristigen Bemühungen und Forschungen der NASA zur Verringerung der Strahlungsrisiken im Weltraum werden fortgesetzt, da die Strahlungsmessungen bei künftigen Missionen stark von der Abschirmung der Raumfahrzeuge, der Flugbahn und der Sonnenaktivität abhängen. Die gleichen Strahlungsmessgeräte, die bei Artemis I eingesetzt wurden, werden auch bei der ersten Artemis-Mission mit Besatzung um den Mond, Artemis II, zum Einsatz kommen, um die Strahlenbelastung im Inneren von Orion besser zu verstehen und die Sicherheit der Astronauten auf dem Mond und darüber hinaus zu gewährleisten.

Weitere Informationen über die Artemis-Kampagne der NASA finden Sie im Internet:

https://www.nasa.gov/humans-in-space/artemis/

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Artemis I Mission – Orion auf SLS

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Quelle: DLR 18. September 2024.

18. September 2024 – Weltraumstrahlung birgt Gesundheitsrisiken für den menschlichen Körper bei astronautischen Langzeitmissionen. Sie kann Krebs und degenerative Erkrankungen verschiedener Organe verursachen. Um Astronautinnen und Astronauten bei zukünftig immer längeren Weltraumaufenthalten bestmöglich zu schützen, gilt es, geeignete Schutzmaßnahmen zu finden. Dafür sind detaillierte Messdaten über die Strahlungsbelastung beim Raumflug außerhalb des Erdmagnetfelds nötig. Ende 2022 starteten mit dem NASA-Raumschiff Orion die beiden Messpuppen Helga und Zohar im Rahmen des vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleiteten Projekts MARE. Bei der Artemis-I-Mission flogen sie auf einer über 25-tägigen Reise zum Mond und wieder zurück. Dabei wurden zum ersten Mal kontinuierlich Messdaten zu den Strahlungswerten zwischen der Erde und ihrem fast eine halbe Million Kilometer entfernten Trabanten gewonnen. Im wissenschaftlichen Fachmagazin NATURE veröffentlichte das Forschungsteam von DLR, ESA und NASA nun erste Ergebnisse.

Dr. Thomas Berger, Strahlenphysiker vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln und Leiter des Experiments MARE erklärt: „Für uns gab es zwei Hauptziele bei der Artemis-I-Mission: Wir wollten erstmals einen umfassenden und zusammenhängenden Datensatz zu den Strahlungsverhältnissen bei einem Mondflug erheben, wozu aktuell noch die Auswertungen laufen. Und gemeinsam mit NASA und ESA ging es uns darum, die Strahlungsunterschiede innerhalb des Orion-Raumschiffes zu charakterisieren, wozu nun die Ergebnisse vorliegen. Im Vorfeld hatten wir dafür eine sehr große Anzahl von Strahlungsdetektoren, sogenannte Dosimeter, an verschiedenen festen Positionen innerhalb des Raumschiffs sowie in unseren beiden lebensgroßen MARE-Messphantomen Helga und Zohar platziert.“ Das Experiment MARE ist ein gemeinsames Projekt des DLR, der israelischen Firma StemRad, NASA, Lockheed Martin und der israelischen Weltraumagentur ISA.

Deutliche Strahlungsunterschiede innerhalb des Orion-Raumschiffs
Die nun in NATURE veröffentlichten Messergebnisse zeigen: Während des Durchflugs durch den Protonengürtel der Erde, den sogenannten inneren Van Allen Gürtel, unterschied sich die Strahlungsdosis innerhalb des Raumschiffs je nach Ort des Detektors sehr deutlich: Die Dosisraten zwischen den am besten und am wenigsten geschützten Bereichen innerhalb der Raumkapsel unterschieden sich um das Vierfache. Diese enormen Unterschiede bestätigen das Design und Abschirmungskonzept der Raumkapsel. Im stärker abgeschirmten Bereich der Kapsel (Storm Shelter) kann die auf die Besatzung wirkende Gesamtdosis bei großen solaren Teilchenereignissen auf maximal 150 Millisievert beschränkt werden. Bei dieser Dosis sind keine Symptome einer akuten Strahlenkrankheit zu erwarten.

Eignung der Orion-Kapsel für astronautische Raumflüge
Die Daten zeigen zudem, dass die Ausrichtung des Raumschiffs während des Protonengürteldurchflugs eine signifikante Auswirkung auf die Strahlungswerte innerhalb der Kapsel hatte: Zum Ende des Durchflugs durch den inneren Protonengürtel führte Orion eine 90-Grad-Drehung durch, die zu einer unerwartet starken Reduzierung der Strahlungsdosis um 50 Prozent führte. „Dies zeigt uns, dass sich mit diesem Flugmanöver, die Strahlenbelastung für die Besatzung im Inneren des Raumschiffs deutlich reduzieren lässt. Auch das ist ein gutes Zeichen und bestätigt die grundsätzliche Eignung der Orion für zukünftige Raumflüge mit Astronautinnen und Astronauten. Und unsere Messdaten sind eine wertvolle Informationsgrundlage für die Gestaltung zukünftiger Missionen“, verdeutlicht DLR-Strahlenphysiker Berger.

Nicht zuletzt zeigt die nun veröffentlichte Studie, dass die moderne Computersimulation von Strahlungsumgebungen verbessert wurde, da die experimentellen Messdaten weitgehend mit den vorhergesagten Modellrechnungen übereinstimmen. Auch diese sind ein wichtiger Faktor für eine zeit- und kosteneffiziente Weiterentwicklung des Orion-Konzepts.

Insgesamt stellt das Wissenschaftsteam in der NATURE-Veröffentlichung fest, dass die Strahlenexposition für zukünftige Artemis-Missionen, die ja nur einige Tage bis Wochen dauern werden, wahrscheinlich nicht die aktuellen NASA-Grenzwerte für Astronautinnen und Astronauten überschreiten, vorausgesetzt, dass ähnliche Missionsbedingungen eingehalten werden. Das Strahlungsrisiko bleibt jedoch eine der zentralen Herausforderung für die astronautische Weltraumfahrt.

Gemeinsam mit NASA und ESA: Strahlungsmessungen für den effektiven Schutz künftiger ORION-Besatzungen
Artemis I war die erste in einer Reihe von Missionen des Artemis-Programms der NASA. Es sieht vor, nach mehr als 50 Jahren wieder Menschen auf unserem Trabanten zu landen, dort gemeinsam mit internationalen Partnern eine dauerhafte Basis zu errichten und eine Raumstation in der Mondumlaufbahn zu bauen, von der aus Menschen zu weiter entfernten Zielen, einschließlich des Mars, aufbrechen sollen. Am 16. November 2022 startete die NASA-Mission Artemis I zur Umrundung des Erdmonds vom Kennedy Space Center in Florida. Bei dieser noch unbemannten Mission wurden alle neu entwickelten Systeme im Zusammenspiel getestet – das Orion-Raumschiff, das Europäische Servicemodul (ESM), die Schwerlastrakete SLS (Space Launch System) und die Bodensysteme.

Die NASA stattete das Raumschiff Orion mit ihrem Strahlungsmessgerät und Warnsystem „Hybrid Electronic Radiation Assessor“, kurz HERA, aus. HERA besteht aus drei Strahlungssensoren, die in unterschiedlich gut gegen Strahlung abgeschirmten Bereichen von Orion eingebaut wurden. Es ist so konzipiert, dass es einen Alarm auslöst, wenn die Besatzung bei einem energiereichen Strahlungsereignis, zum Beispiel einer Sonneneruption, Schutz suchen soll. In diesem Fall würde sich die Crew in einen besser gegen die Strahlung abgeschirmten Teil von Orion begeben, und zwar würden sie die Bodenklappen öffnen und dann Abschirmmaterial als zusätzlichen Schutz über Ihren Köpfen installieren.

Die ESA stellte zudem fünf mobile Dosimeter – die EAD-MUs (ESA Active Dosimeter – Mobile Units) – an verschiedenen Stellen der Raumkapsel zur Messung der Strahlung bereit. Ein Vorläufersystem der Mobile Units kam schon von 2016 – 2017 auf der Internationalen Raumstation ISS zum Einsatz. Die Mond-Umrundung der Artemis-I-Mission ermöglichte es, die Strahlungsumgebung im tiefen Weltraum so vollständig wie möglich abzubilden. Die neuen Werte werden nun mit den ISS-Messungen verglichen – und so die Sicherheit der nachfolgenden Artemis-Missionen mit Besatzung bewertet. Später soll eine weiter entwickelte Version des EAD-MU-Systems an Bord des sogenannten Lunar Gateway – einer geplanten Raumstation in der Mondumlaufbahn – zum Einsatz kommen.

Die in der Orion-Kapsel verteilten Dosimeter der ESA wurden vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln gemeinsam mit ASRO, Finnland, konzipiert, getestet und gebaut. Die aktiven DLR-Messgeräte M-42 und passiven Sensoren in Helga und Zohar wurden vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln entwickelt und angefertigt.

„Die Detektoren messen unterschiedliche Strahlungsarten, sodass wir mit den Werten Rückschlüsse auf ihre biologischen Auswirkungen ziehen können.“, sagt Thomas Berger. Die beiden Messphantome im MARE-Projekt wurden dazu eigens der weiblichen Anatomie nachempfunden, um die besonderen Belastungen für Frauen bei Langzeitaufenthalten im Weltraum zu untersuchen.

Die jetzige Veröffentlichung von Ergebnissen in NATURE ist die erste einer ganzen Reihe. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von DLR, NASA und ESA analysieren den reichhaltigen Datenschatz an Strahlungsmesswerten des Orionflugs noch weiter. Momentan arbeiten Dr. Thomas Berger und sein Team des DLR-Projekts MARE am Vergleich der Strahlungsbelastung von Helga, die Messpuppe, die ohne Schutz flog, und Zohar, die bei der Mondumrundung die Strahlenschutzweste AstroRad trug.

Die Messung von Weltraumstrahlung – vom „Flickenteppich“ zum homogenen Datensatz
Weltraumstrahlung stammt aus verschiedenen Quellen wie solaren Teilchenereignissen, galaktischen kosmischen Strahlen oder den beiden, die Erde umspannenden und sehr strahlungsintensiven Van-Allen-Gürteln. Frühere Strahlungsdaten stammen hauptsächlich von der Internationalen Raumstation ISS und aus den Space-Shuttle-Missionen – und damit aus relativ erdnahen Höhen, die noch deutlich durch das Magnetfeld der Erde geschützt sind. Daten aus den Tiefen des interplanetaren Raums wurden bei verschiedenen unbemannten Missionen gewonnen, in denen Sonden durch das Sonnensystem (z.B. zum Mars) gereist sind. Und begrenzt gibt es Daten von den Apollo-Missionen zum Mond.

Kontinuierliche Strahlungsmessungen mit einer hohen räumlichen Auflösung gab es bislang nicht und wurden erstmals während der Artemis-I-Mission zwischen Erde und Mond durchgeführt.

Über das DLR-Experiment MARE
Das DLR leitet das Experiment MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment). Hauptprojektpartner sind die israelische Raumfahrtagentur ISA, der israelische Industriepartner StemRad, der die AstroRad-Schutzweste entwickelt hat, sowie Lockheed Martin und die NASA. MARE stellt in seiner Komplexität und in seiner internationalen Zusammenarbeit mit zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Europa, Japan und den USA das größte Experiment zur Bestimmung der Strahlenbelastung für Astronautinnen und Astronauten dar, das jemals den erdnahen Orbit verlassen hat. Die während Artemis I durchgeführten Messungen werden wertvolle Daten zur Risikobewertung und -minderung für künftige Langzeitmissionen liefern, um eine für den Menschen sichere Erforschung des Weltraums zu ermöglichen.

Publikation
Space radiation measurements during the Artemis I lunar mission
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07927-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07927-7.pdf

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: DLR.

27. April 2022 – Die NASA wird 2022 mit der Mission Artemis I nach fast 50 Jahren erstmals wieder ein Raumschiff zum Mond schicken. Nun sind die ersten beiden Passagiere Helga und Zohar auf dem Weg zur NASA nach Florida. Für den unbemannten Testflug werden die „Messpuppen-Zwillinge“ im Cockpit der Orion-Kapsel sitzen. Das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleitete MARE Experiment untersucht mit zwei baugleichen Phantomen die Strahlenbelastung während des gesamten bis zu sechswöchigen Fluges, speziell zugeschnitten auf den weiblichen Körper. Denn die NASA plant mit den Artemis-Flügen die erste Frau zum Mond zu schicken. Forschende des Kölner DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin haben das Experiment erfolgreich vorbereitet und für den Einbau am Kennedy Space Center (KSC) der NASA nun ausgeliefert. Teil des Experiments ist auch eine Strahlenschutzweste, die erprobt wird. Der Start von Artemis I ist derzeit für den Sommer 2022 geplant. Der Aufbau und Einbau der Messpuppen soll rund vier Wochen vor dem eigentlichen Start beginnen.

Außerhalb des schützenden Erdmagnetfelds ist die Strahlenbelastung für den menschlichen Organismus deutlich erhöht. Der weibliche Körper reagiert darauf wegen strahlungsempfindlicher Organe wie der weiblichen Brust noch empfindlicher als der männliche Körper. Insgesamt ist die Strahlung eine der größten Herausforderungen für längere astronautische Missionen ins tiefere Weltall bis hin zum Mars. „Mit MARE, dem größten je außerhalb der Erdumlaufbahn geflogenen Strahlungsexperiment, wollen wir herausfinden, wie genau sich die Strahlungswerte während eines vollständigen Mondfluges für Astronautinnen verhalten und welche Strahlenschutzmaßnahmen dagegen hilfreich sein können“, sagt Dr. Thomas Berger, Leiter der Arbeitsgruppe Biophysik in der Abteilung Strahlenbiologie am DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. „In den vergangenen Wochen und Monaten haben wir Helga und Zohar an den DLR-Standorten in Köln und Bremen vollständig durchgecheckt unter anderem mit Tests zu Auswirkungen der Vibrationen beim Start der Mission Artemis I. Weiterhin haben wir einen vollständigen Testlauf des Aufbaus der Messpuppen durchgeführt, damit später am Kennedy Space Center alles reibungslos verläuft.“

Die „Messpuppen-Zwillinge“ sind weiblichen Körpern nachempfunden. Frauen haben ein allgemein höheres Krebsrisiko und darum gelten für Astronautinnen stets andere Strahlungsgrenzwerte als für ihre männlichen Kollegen. Geschlechtsspezifische Messungen mit Phantomen im All gab es bislang nicht. „Genauer sind beide Puppen aus Materialien hergestellt, die die menschlichen Knochen, Weichteile und Organe einer erwachsenen Frau nachahmen. Mehr als 10.000 passive Sensoren und 34 aktive Strahlungsdetektoren sind in die 38 Scheiben integriert, aus denen die Puppen zusammengesetzt sind“, erklärt MARE-Projektleiter Dr. Thomas Berger. Beide Phantome sind 95 Zentimeter groß und 36 Kilogramm schwer. Eine von ihnen – Helga – fliegt ungeschützt zum Mond, die andere – Zohar – trägt eine neu entwickelte Strahlenschutzweste, AstroRad genannt. Im Vergleich der beiden Datensätze lässt sich dann ermitteln, in welchem Ausmaß die von israelischen Partnern entwickelte Weste eine Astronautin vor schädlicher Strahlenbelastung schützen würde.

Kosmische Strahlung im All
Die Erdatmosphäre und die Abschirmung des Erdmagnetfelds schützen uns vor dem größten Teil der Strahlung im Universum, einschließlich der Strahlung unserer Sonne. Wenn Astronauten die Erde verlassen, sind sie dem gesamten Spektrum der im Weltraum vorhandenen Strahlung ausgesetzt. Das Orion-Raumschiff wird in den ersten Stunden nach dem Start und bei der Rückkehr zur Erde zwei Perioden intensiver Strahlung durchlaufen, wenn es durch die Van-Allen-Gürtel fliegt, welche die vom Magnetfeld der Erde eingefangene Weltraumstrahlung beherbergen.

Wenn Orion über den Schutz des Erdmagnetfelds hinausfliegt, wird es einer härteren Strahlungsumgebung ausgesetzt sein als die Besatzung der Internationalen Raumstation ISS in der erdnahen Umlaufbahn. Außerhalb der Van-Allen-Gürtel umfasst die Strahlungsumgebung im Weltraum energetische Teilchen, die von der Sonne bei Sonneneruptionen erzeugt werden, sowie Teilchen der galaktischen und extragalaktischen kosmischen Strahlung, die von außerhalb unseres Sonnensystems kommen. „Die kosmische Strahlung ist eine besondere Herausforderung bei längeren Missionen im freien Weltraum, denn sie sorgt fortwährend für ein gewisses Level an energiereichen ionisierten Teilchen“, erklärt PD Dr. Christine Hellweg, Leiterin der Abteilung Strahlenbiologie am DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. „Die Vielfalt der Teilchen in der kosmischen Strahlung reicht von Wasserstoff bis Eisen und weiter bis zum Uran.“

Anthropomorphe Phantome messen Strahlung
Helga und Zohar sind sogenannte anthropomorphe Phantome, dem menschlichen Torso nachempfundene Messkörper. Mit ihnen hat das DLR bereits viel Erfahrung: Zuletzt war ein Phantom, genannt Matroshka, des Kölner DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin zwischen 2004 und 2011 auf der ISS im Einsatz. Außen auf der ISS angebracht, sammelte das Phantom Strahlungswerte eines Astronauten, der einen Weltraumspaziergang absolviert. Außerdem hielt sich das Phantom in verschiedenen Teilen der Raumstation auf, um die Strahlenbelastung zu messen. „Die Astronautinnen und Astronauten auf der Station sind einer Strahlenbelastung ausgesetzt, die etwa 250-mal höher ist als die der Menschen auf der Erde – in Köln. In größerer Entfernung vom Erdmagnetfeld und im interplanetaren Raum könnte die Strahlenbelastung bei Erkundungsmissionen noch viel höher sein – schätzungsweise bis zu 700 Mal höher“, erklärt Berger.

Über das Experiment MARE
Das Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) leitet das Experiment MARE. Hauptprojektpartner sind die israelische Raumfahrtagentur ISA, der israelische Industriepartner StemRad, der die AstroRad-Schutzweste entwickelt hat, sowie Lockheed Martin und die NASA. MARE stellt in seiner Komplexität und in seiner internationalen Zusammenarbeit mit zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Europa, Japan und den USA das größte Experiment zur Bestimmung der Strahlenbelastung für Astronautinnen und Astronauten dar, das jemals den erdnahen Orbit verlassen hat. Es liefert grundlegende Daten zur Abschätzung des Strahlenrisikos für die kommenden bemannten Flüge zum Mond.

USA und Europa fliegen mit Artemis zum Mond
Ziel der NASA-Mission Artemis I ist der erste zunächst unbemannte Raumflug der Orion-Kapsel zum Mond, ihn zu umrunden und zur Erde zurückzukehren. Dabei wird die Kapsel durch das European Service Module (ESM) angetrieben und versorgt, das mit deutscher Technologie hauptverantwortlich am Standort Bremen gebaut wurde. Die Flugzeit wird zwischen 26 und 42 Tagen betragen. Dabei ist das Experiment MARE als sogenannte secondary oder scientific payload dabei. Das bedeutet, beide Phantome müssen autark vom Raumschiff funktionieren. Von der Stromversorgung bis zur Datenspeicherung – alle Funktionen werden vollkommen unabhängig vom Orion-Schiff sein. Das neue Mond-Programm der NASA wurde in Anspielung auf die Apollo-Missionen Artemis benannt. Artemis ist in der griechischen Mythologie die Mondgöttin und Zwillingsschwester Apollons.

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• Artemis I Mission – Orion auf SLS

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