Quelle: Fachhochschule Südwestfalen 19. April 2024.

19. April 2024 – Iserlohn. Im Auto. Auf dem Weg zum Flughafen: „Du hast doch an die Flugtickets gedacht, oder?“ Umkehren wäre jetzt schwierig. Aber möglich. Im Spaceshuttle. Auf dem Weg zur Internationalen Weltraumstation. Oder zum Mars: „Du hast doch alles für unseren Bakterien-Versuch dabei, oder? Umkehren ist jetzt unmöglich. Kaum etwas muss so akribisch vorbereitet werden, wie eine Mission ins All. Alle, aber auch wirklich alle Eventualitäten müssen mitgedacht werden. Was die Fachhochschule Südwestfalen damit zu tun hat? Das erzählen Johanna Piepjohn und Prof. Dr. Kilian Hennes.

Johanna Piepjohn hat kürzlich den Masterstudiengang Life Science Engineering an der Fachhochschule Südwestfalen in Iserlohn abgeschlossen. Das ist ein Verbundstudiengang. Wer einen solchen Studiengang studiert, ist in aller Regel parallel berufstätig. Johanna Piepjohn arbeitet in der Arbeitsgruppe Astrobiologie am Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. Das wiederum ist angesiedelt am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln. Für ihre Masterarbeit hat Johanna Piepjohn ein Weltraumexperiment geplant. Es geht darum, zu untersuchen, welchen Einfluss die Schwerelosigkeit auf die Konjugation von Bakterien hat. Stichwort Antibiotikaresistenz. Das Experiment wird voraussichtlich im kommenden Jahr durchgeführt. Von Astronauten. Auf der Internationalen Raumstation ISS. Betreut und unterstützt wurde die Masterarbeit von Prof. Dr. Kilian Hennes vom Fachbereich Informatik und Naturwissenschaften der Fachhochschule und Dr. Petra Rettberg, Leiterin der Astrobiologie am DLR.

Bakterien stehen auf Austausch. Unwissenschaftlich ausgedrückt: Treffen sich zwei, dauert es nicht lange und sie übertragen für sie vorteilhafte Eigenschaften aufeinander. Johanna Piepjohn erklärt es wissenschaftlicher: „Man nennt das Konjugation. Bakterien übergeben über ihre Plasmide bestimmte genetisch kodierte Eigenschaften. Im Fall unseres Experiments geht es um Antibiotikaresistenz und die Frage, wie sich diese in der Schwerelosigkeit des Weltraums überträgt.“ Auf der Erde geschieht die Weitergabe der Resistenz ziemlich schnell. Dauert es im All länger? Oder geht es vielleicht sogar noch schneller? „Genau das wollen wir klären“, antwortet Johanna Piepjohn.

Eine Weltraummission ist ein technisches und logistisches Meisterwerk. Alles muss funktionieren. Millionen technische Abläufe müssen zeitlich passend ineinandergreifen, damit die Rakete abhebt und das Shuttle letztlich da ankommt, wo es ankommen soll. Sollbruchstellen gibt es viele. Aber eine Schwachstelle übersieht der Außenstehende dabei oft. „Den Menschen“, erklärt Prof. Dr. Kilian Hennes, „der Mensch ist die Schwachstelle der Raumfahrt. Ist er krank, funktioniert nichts mehr richtig, ist die Mission zum Scheitern verurteilt. Das ist genau so ein Risiko für die Mission, wie als würde die Rakete explodieren.“ Astronautengesundheit sichert also den Erfolg einer Allexpedition. Das gilt besonders für Flüge zur ISS. „Dort bleiben die Astronauten länger und auf engem Raum zusammen. Es macht also einen Unterschied, ob beispielsweise Antibiotikaresistenzen schneller übertragen werden können als auf der Erde“, erläutert Kilian Hennes.

Astronauten gibt es allerdings nicht viele. Rein rational betrachtet: Wiegt die Erhaltung ihrer Gesundheit diese Forschungsinvestitionen auf? „Auf jeden Fall“, antwortet Johanna Piepjohn energisch, „es geht ja nicht nur um die Astronauten selbst. Wir forschen für die gesamte Menschheit. Irgendwann werden vielleicht mehr Menschen im All unterwegs sein. Vielleicht auf Mars-Mission. Dann aber ist es zu spät für Grundlagenforschung. Wir brauchen die Ergebnisse vorher.“

Besonders wichtig für das Gelingen des Experiments ist eine akribische und vor allem weitsichtige Planung. Astronautenarbeitszeit ist teuer. Mögliche Probleme müssen im Voraus erkannt werden. Alles muss an Bord sein. Umkehren ist nicht. Wie also bereitet man einen solchen Allversuch vor? Schließlich ist es wahrscheinlich nicht damit getan, Bakterien zusammenzubringen und einfach nur zu beobachten, was passiert. „Im Grunde entspräche das dem optimalen Verlauf“, erklärt Johanna Piepjohn. „Meine Aufgabe war es, den Versuch so optimal vorzubereiten, dass im All praktisch nichts mehr schiefgehen kann. Die Astronauten bekommen eigentlich nur eine Box, die sie dann in das Gerät stellen und auf Start drücken. Die Box wird auf der Erde gepackt und ermöglicht eine automatische Versuchsdurchführung.“

Das Experiment wird dann live nach Köln ins Zentrum für Luft- und Raumfahrt übertragen. Die Versuchsparameter werden in Echtzeit abrufbar sein. Die Wissenschaftler werden das Experiment beobachten und mit den Astronauten in Kontakt stehen. Schneller oder langsamer, das ist dann die Frage? Schaffen die Bakterien die Weitergabe der Resistenzen schneller als auf der Erde? Johanna Piepjohn hat eine Vermutung: „Ich wäre sehr überrascht, wenn gar keine Konjugation stattfindet, vermute, dass sie schneller läuft als auf der Erde“. Aber sicher ist sie nicht. „Schließlich ist das neu.“ Wichtiger als das Ergebnis ist Johanna Piepjohn aber wahrscheinlich, dass das Experiment gelingt. Dann hätte sie ihre Mission erfüllt.

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• Raumfahrtbezogene Ausbildung / studentischer Satellitenbau

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Quelle: Freie Universität Berlin 25. März 2024.

25. März 2024 – Die unterirdischen Ozeane einiger Eismonde von Saturn und Jupiter sind Kandidaten für die Suche nach außerirdischem Leben. Eine laborbasierte Studie, durchgeführt größtenteils von Wissenschaftlern von Freier Universität Berlin und University of Washington in Seattle, zeigt, dass Leben, wenn es dort welches gibt, nachweisbar ist. Und zwar in einzelnen ausgestoßenen Eisteilchen. „Wir konnten erstmals zeigen, dass Zellmaterial von Bakterien mit einem Massenspektrometer auf einer Raumsonde nachweisbar ist“, betont Dr. Fabian Klenner, Leiter der Studie. Klenner ist Postdoc am Department of Earth and Space Sciences der University of Washington, zuvor forschte er an der Freien Universität Berlin.

Die Studie mit dem Titel „How to identify cell material in a single ice grain emitted from Enceladus or Europa“ wurde am 22. März in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht (doi.org/10.1126/sciadv.adl0849, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl0849).

“Unsere Ergebnisse zeigen zunehmend, dass zukünftige Instrumente in der Lage sind, auf Eismonden winzige Lebensformen aufzuspüren, die denen ähneln, die wir von der Erde kennen“, betont Dr. Fabian Klenner, der Leiter der Studie.

Die Cassini Mission, die bis 2017 im Saturnsystem operierte, hatte in der Nähe des Südpols des eisigen Saturnmondes Enceladus nahezu parallele Risse entdeckt. Aus diesen Rissen strömen Gase und Eispartikel in das Weltall, die von dem unterirdischen Ozean des Mondes stammen. Europa, ein Eismond von Jupiter, wird bald detailliert von Instrumenten auf NASA’s Europa Clipper Raumsonde untersucht werden. Start der Mission ist für Oktober diesen Jahres (2024) vorgesehen.

In Vorbereitung auf diese und andere zukünftige Missionen untersuchen Forschende, was moderne Instrumente auf den Eismonden finden könnten. Aufgrund der hohen relativen Geschwindigkeiten der Eisteilchen zur Raumsonde, ist es sehr schwierig, Einschläge von einzelnen Eisteilchen auf Massenspektrometer zu simulieren. Die Forschenden haben stattdessen ein Experiment an der Freien Universität Berlin genutzt. Mit dem Versuchsaufbau haben die Forschenden einen dünnen Wasserstrahl in eine Vakuumkammer injiziert. Der Wasserstrahl zerfällt in winzige Tröpfchen, die dann mit einem Laser beschossen wurden. Die durch den Laserbeschuss entstandenen geladenen Teilchen wurden in einem Massenspektrometer im Labor untersucht, um vorherzusagen, was Instrumente auf Raumsonden detektieren würden.

Die neu veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass Instrumente, die für zukünftige Raumsonden vorgesehen sind, Zellmaterial aufspüren können. Und das funktioniert sogar, wenn das Zellmaterial in nur sehr wenigen einzelnen Eisteilchen vorhanden wäre. Ein Instrument, das diese Fähigkeit besitzt, ist der SUrface Dust Analyzer auf Europa Clipper.

Für ihre Studie verwendeten die Forschenden Sphingopyxis alaskensis, ein Bakterium, das in Gewässern von Alaska vorkommt. Im Vergleich zu Escherichia coli, einem gängigen Modellorganismus für Studien auf der Erde, leben die viel kleineren S. alaskensis Bakterien in kalter Umgebung und können mit nur wenigen Nährstoffen auskommen. Aufgrund all dieser Eigenschaften ist dieser Organismus womöglich ein geeigneterer Kandidat für potenzielles Leben auf einem Eismond.

“Die Bakterien sind extrem klein, sodass sie theoretisch in die ausgestoßenen Eisteilchen passen”, erläutert Fabian Klenner.

Von früheren Studien ist bekannt, dass verschiedene Substanzen in einem unterirdischen Ozean in einzelnen Eisteilchen getrennt ausgestoßen werden. Die neue Studie zeigt, dass die Analyse einzelner Eisteilchen deutlich vorteilhafter ist, um mögliches Leben zu identifizieren, als zuerst Milliarden von Eisteilchen zu sammeln und alle gemeinsam zu analysieren.

In einer weiteren Studie, die von den gleichen Wissenschaftlern angeleitet wurde, wurden kürzlich Phosphate in Enceladus‘ Ozean nachgewiesen. Enceladus hat somit genügend Energie, Wasser, Phosphate und andere Salze, sowie kohlenstoffbasiertes organisches Material, was es zunehmend wahrscheinlicher macht, dass der Mond lebensfreundliche Bedingungen für bakterielle Lebensformen wie wir sie von der Erde kennen aufweist.

Die Forschenden vermuten, dass Bakterien, wenn sie eine Lipidmembran besitzen, eine hauchdünne Schicht auf der Oberfläche des Ozeans bilden würden. Ein Prozess, den man von der Erde kennt. Auf einem Eismond, bei dem der Ozean mit der Oberfläche verbunden ist (z.B. durch Risse in der Eiskruste), bringt der Druckunterschied zum Vakuum des Weltalls den kalten Ozean zum Kochen. Zudem platzen Gasblasen, die im Ozean aufsteigen, an der Wasseroberfläche, wodurch Zellmaterial in sich bildende Eisteilchen eingeschlossen werden könnte.

“Wir beschreiben hier ein plausibles Szenario wie Bakterien in Eisteilchen eingeschlossen werden könnten, die sich von flüssigem Wasser auf Enceladus oder Europa bilden und dann in das Weltall ausgestoßen werden“, sagt Fabian Klenner.

Der SUrface Dust Analyzer auf Europa Clipper hat bessere analytische Fähigkeiten als Instrumente vergangener Missionen. Zudem wird dieses Instrument zum ersten Mal in der Lage sein, negativ geladene Ionen von Einschlägen der Eisteilchen zu detektieren, was vorteilhaft für das Aufspüren möglicher Fettsäuren und Lipide ist.
“Ich finde es sogar etwas spannender, nach Lipiden oder Fettsäuren zu suchen als nach den Bestandteilen von DNA, da Fettsäuren etwas stabiler zu sein scheinen“, ergänzt Fabian Klenner.

“Mit geeigneten Instrumenten, wie zum Beispiel dem SUrface Dust Analyzer auf NASA’s Europa Clipper Raumsonde, könnte es einfacher sein als wir dachten, Spuren von Leben auf einem Eismond zu finden”, erklärt Prof. Frank Postberg, Mitautor der Studie. Frank Postberg ist Professor für Planetologie am Institut für Geologische Wissenschaften der Freien Universität Berlin. „Die Voraussetzung ist natürlich, dass es dort Leben gibt und die Lebensformen auch in Eisteilchen eingeschlossen werden, die sich z.B. aus flüssigem Wasser unter der Eiskruste bilden“

Die Studie wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC), der NASA und der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert. Die weiteren Mitautoren sind Janine Bönigk, Dr. Maryse Napoleoni, Dr. Jon Hillier und Dr. Nozair Khawaja von der Freien Universität Berlin, Prof. Karen Olsson-Francis von The Open University in Großbritannien, Dr. Morgan Cable und Dr. Michael Malaska von NASA’s Jet Propulsion Laboratory (USA), Prof. Sascha Kempf von der University of Colorado in Boulder (USA) und Prof. Bernd Abel von der Universität Leipzig.

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• Europa Clipper (EC) zum Jupitermond Europa

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Quelle: ÖWF 1. August 2023.

1. August 2023 – Zwei von der Europäischen Weltraumagentur ESA finanzierte Projekte im Rahmen der Entwicklung neuer Textilien für zukünftige Mond- und Mars-Raumanzüge wurden vor Kurzem erfolgreich abgeschlossen: BACTeRMA – unter der Leitung des Österreichischen Weltraum Forums (ÖWF) – und PExTex – unter der Leitung des französischen Unternehmens COMEX in Zusammenarbeit mit dem ÖWF. Ziel der Projekte war es, Textilien zu finden, die das mikrobielle Wachstum hemmen und der rauen Umgebung des Mondes, wie z.B. Strahlung, Staubabrieb oder einer anspruchsvollen thermischen Umgebung, standhalten. Beide Studien bieten eine europäische Perspektive auf zukünftige bemannte Missionen jenseits der Erdumlaufbahn.

ESA-Astronaut Matthias Maurer: „Die von der ESA finanzierte und in Europa entwickelte Weltraumtechnologie ist ein entscheidender Schritt, um das Fachwissen der europäischen Industrie und Wissenschaft für die künftige bemannte und robotische Planetenerkundung zu stärken.“

Dr. Gernot Grömer, Direktor des Österreichischen Weltraum Forums: „Die Erkenntnisse von PExTex und BACTeRMA legen den Grundstein für zukünftige Entwicklungen in den Bereichen der antimikrobiellen Behandlung von Textilien und der Integration intelligenter Textiltechnologien.“ Sie unterstreichen die Rolle österreichischer Forschungspartner*innen wie des Österreichischen Weltraum Forums und des Vienna Textile Labs in diesem innovativen Forschungs- und Entwicklungs-Bereich. Zudem demonstrieren diese Projekte für die Textilindustrie die Machbarkeit und Bedeutung der Entwicklung innovativer Textilien mit speziellen Eigenschaften.
Das Österreichische Weltraum Forum integriert derzeit die neu entwickelten Textilien in seinen Raumanzug-Prototypen. Im März 2024 könnten diese Materialien im Rahmen von AMADEE-24, unserer Simulation einer astronautischen Marsmission in Armenien, ihrem ersten analogen Feldtest unterzogen werden.“

Rückkehr zum Mond
Über 50 Jahre nachdem die ersten Menschen die Mondoberfläche betraten, prüft die ESA eine Rückkehr zum Mond und später zum Mars und schlägt damit das nächste Kapitel der Weltraumforschung auf. Mit der Vision von Teams, die in zukünftigen Mondlaboren arbeiten werden, untersuchen Expert*innen Herausforderungen, die in diesen permanenten Habitaten und Labors auf der Mond- oder Marsoberfläche auftreten können. Eine dieser Herausforderungen ist die Entwicklung neuer Raumanzüge, die den Umweltbedingungen des Mondes standhalten und gleichzeitig das mikrobielle Wachstum auf Textilien reduzieren oder sogar verhindern können. Staub, Strahlung sowie mikrobielles Wachstum stellen eine erhebliche Bedrohung für die Gesundheit und Sicherheit von Astronaut*innen dar.

PExTex und BACTeRMA
Zwei von der ESA geförderte Projekte, die diese Probleme angehen, wurden in Zusammenarbeit mit dem Österreichischen Weltraum Forum (ÖWF) durchgeführt und kürzlich abgeschlossen: PExTex (Planetary Exploration Textiles) und BACTeRMA (Biocidal Advanced Coating Technology for Reducing Microbial Activity). BACTeRMA ist eine zweijährige Studie, die das PExTex-Projekt ergänzt. Basierend auf Missionsplanungen wie der NASA-geführten ARTEMIS-Initiative wurde eine Vielzahl möglicher Textilien auf ihre Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit hin untersucht, um potenzielle Materialien für einen zukünftigen Mond-Raumanzug zu finden. Das BACTeRMA-Projekt erforschte bio-inspirierte Technologien, um das mikrobielle Wachstum auf der Oberfläche der Innentextilien eines Raumanzugs zu reduzieren.

PExTex wurde von einem Konsortium aus DITF (Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung) und dem Österreichischen Weltraum Forum (ÖWF) unter der Leitung von COMEX SA umgesetzt. BACTeRMA wurde vom Österreichischen Weltraum Forum in Zusammenarbeit mit dem Vienna Textile Lab durchgeführt.

Gefahren durch Mondstaub und PExTex
Während der Apollo-17-Mission im Dezember 1972 hatten die NASA-Astronauten Gene Cernan und Harrison Schmitt nach mehr als 22 Stunden Außenbordeinsatz auf der Mondoberfläche Schwierigkeiten, ihre Arme und Beine in ihren Raumanzügen zu bewegen, weil Staub begonnen hatte, die Anzug-Gelenke zu blockieren. Als beide Astronauten wieder in die Mondlandefähre zurückkehrten, fehlten an einigen Stellen der Raumanzüge drei Schichten der Außenhaut, die durch Mondregolith abgerieben worden waren.

In Zukunft sollen Außenbordeinsätze länger dauern und deutlich häufiger durchgeführt werden als die der Apollo-Astronauten, was verbesserte Anzugkonzepte erfordert.

Das Projekt PExTex konnte neuartige Materialien für die Entwicklung von Raumanzügen in Europa identifiziert. Zudem wurde eine Teststrategie entwickelt, die Materialien auf ihre Mondtauglichkeit überprüfen kann. Im Rahmen des Projekts wurden die Materialien, die in Frage kommen, zahlreichen Tests wie extremen Temperaturen, ionisierender Strahlung, Ultrahochvakuum, elektrischen Entladungen, beschleunigter Alterung und Regolith-Abrieb unterzogen. Im Rahmen der Tests wurden die Textilien auch der Strahlung eines Teilchenbeschleunigers in der MEDAUSTRON-Anlage in Österreich ausgesetzt.

Das Industriekonsortium identifizierte eine Reihe vielversprechender Textilkombinationen, darunter Materialien, die während der Apollo-Mondmissionen noch nicht verfügbar waren, wie etwa Twaron und andere.

Gefahren des mikrobiellen Wachstums auf Textilien und BACTeRMA
Die Unterwäsche von Astronaut*innen könnte sich auf Langzeitmissionen zum Mond und darüber hinaus als Herausforderung erweisen: Während Wäschewaschen auf der Erde eine alltägliche Angelegenheit ist, wird die Verwendung von Waschmaschinen und Trocknern in einem Weltraumhabitat aus heutiger Sicht kaum praktikabel sein. Zudem planen die Raumfahrtbehörden durch die Einrichtung permanenter Forschungseinrichtungen auf dem Mond, Instrumente und Materialien dauerhaft in diesen Außenposten zu lagern. Zukünftige Mond-Raumanzüge werden über einen längeren Zeitraum dort bleiben und von verschiedenen Astronaut*innen genutzt werden. Die Lagerung von Raumanzügen (unter potenziell günstigen Bedingungen für Mikroorganismen) erhöht wiederum das Risiko des mikrobiellen Wachstums. Da Raumanzüge nicht regelmäßig gewaschen werden können, sind Lösungen zur Vermeidung des Mikrobenwachstums von entscheidender Bedeutung.

Das BACTeRMA-Projekt konzentrierte sich auf die Entwicklung biozider Textilverarbeitungstechniken wie beispielsweise das Färben mit bakteriellen Metaboliten, bei denen es sich im Grunde um Antibiotika handelt. Die entsprechend vorbereiteten Materialien wurden anschließend Strahlung, Regolithstaub und künstlichem Schweiß ausgesetzt, um ihre Haltbarkeit zu untersuchen. Durch umfangreiche Tests haben das Österreichische Weltraum Forum und das Vienna Textile Lab wertvolle Erkenntnisse über die Wirksamkeit und Eignung antimikrobieller Substanzen wie AM1 (Violacein) und AM2 (Prodigiosin) auf verschiedenen Textilmaterialien gewonnen. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt werden enorme Auswirkungen auf die Produktion der inneren Schichten von Raumanzügen und somit auf Astronaut*innen bei Langzeit-Weltraummissionen haben.

Über das Österreichische Weltraum Forum (ÖWF)
Das Österreichische Weltraum Forum (ÖWF) gehört im Bereich der Analogforschung weltweit zu den führenden Organisationen, die an der Vorbereitung astronautischer Erforschung anderer Planeten mitarbeiten. Expert*innen verschiedenster Disziplinen bilden innerhalb des ÖWFs die Basis für diese Arbeit. Gemeinsam mit nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen, Industrie und Unternehmen unterschiedlicher Branchen wird hier Forschung auf höchstem Niveau betrieben. Dabei nutzt das ÖWF seine ausgezeichneten Kontakte zu Meinungsbildner*innen, Politik und Medien, um österreichische Spitzenforschung und Technologie international voranzutreiben und bekanntzumachen. Das Österreichische Weltraum Forum ist zudem einer der wichtigsten Bildungsträger in Österreich, wenn es um Raumfahrt und darum geht, junge Menschen für Wissenschaft und Technik zu begeistern sowie ihnen einen Zugang zu dieser Branche zu ermöglichen. Neben der Betreuung von universitären Arbeiten bietet das ÖWF auch immer wieder Studierenden und Schüler*innen die Möglichkeit, im Rahmen von Praktika ihr Wissen zu erweitern.

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• Österreichisches Weltraum Forum (ÖWF)

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Quelle: DLR.

18. Januar 2022 – Mikroorganismen sind ständige Begleiter von Menschen. Und Menschen verteilen sie überall – nicht nur auf der Erde, sondern auch auf der Internationalen Raumstation ISS. Manche Mikroorganismen sind harmlos. Andere dieser mikroskopisch kleinen Lebewesen lösen schwere Krankheiten aus oder verursachen sogar Materialschäden auf der ISS. Wie das verhindert werden kann, untersucht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem Experiment Touching Surfaces. Es wird auf der ISS, an der Uniklinik Köln und jetzt auch von Schülerinnen und Schülern durchgeführt.

Dazu bekommen zehn ausgewählte Schulen besondere Probenträger, die sogenannten Touch Arrays. Auf ihnen sind Kupfer-, Messing- und Stahlflächen in einem Aluminiumrahmen verschraubt, jeweils mit drei verschiedenen Oberflächenstrukturen. Über 15 Wochen berühren die Schülerinnen und Schüler der Projektteams einmal wöchentlich alle Metallflächen der Touch Arrays. Die Zehn- bis 16-Jährigen hinterlassen dabei ihre Fingerabdrücke – und ihre ganz alltäglichen Mikroorganismen, die sonst zum Beispiel auf Türklinken oder Lichtschaltern haften. „Nachdem die jungen Forschenden die Touch Arrays angefasst haben, waschen und desinfizieren sie ihre Hände“, sagt Prof. Ralf Möller vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln. „Der Ablauf ist genau festgelegt und die Ergebnisse sind wissenschaftlich vergleichbar, genau wie bei unserem Parallelexperiment auf der ISS.“

Im Versuchspaket für die Schulen befinden sich außer den Touch Arrays noch Stäbchen für Abstriche, Petrischalen und Probenentnahmegefäße für DNA-Tests von mikrobieller Kontamination. Die Proben werden in Zusammenarbeit mit den DLR_School_Labs ausgewertet. „Mit dem Experiment erhalten die Teilnehmenden Einblicke in die interdisziplinäre Forschung: Biologie, Medizin, Physik, Chemie und Materialwissenschaften kommen bei Touching Surfaces zusammen“, sagt Ralf Möller.

Kupfer, Messing und Stahl haben unterschiedliche Effekte auf Mikroorganismen
Nicht nur die Metalle, auch die unterschiedlichen Oberflächenstrukturen auf den Touch Arrays wirken sich auf die Bakterien aus. Jeweils eine Fläche ist glattpoliert, in zwei wurden mit einem Laser winzige Muster geschossen. „Die strukturierten Oberflächen haben gerade im Zusammenhang mit Kupfer zusätzliche Effekte auf die Inaktivierung von Mikroorganismen“, erklärt Ralf Möller. Kupfer besitzt generell antimikrobielle Eigenschaften und kann Bakterien unschädlich machen. Messing ist eine Mischung aus Kupfer und Zink. Stahl dient als Vergleichsmetall.

Welche Bakterien haften an welchen Flächen?
Im Projekt Touching Surfaces wird gemeinsam mit der Universität des Saarlandes unter anderem untersucht, welche Mikroorganismen an welchen Oberflächen haften. Außerdem geht es um die Frage, ob es Unterschiede zwischen den Proben aus den Schulen, der Uniklinik und der ISS gibt und welche Schlüsse daraus gezogen werden.

Touching Surfaces soll die Wirksamkeit von antimikrobiellen Oberflächen für den Einsatz im Weltall und auf der Erde erhöhen. Diese Oberflächen sind auch für die Bekämpfung von Infektionskrankheiten wichtig. Sie können zum Beispiel in Krankenhäusern zur Abtötung antibiotikaresistenter Bakterien wie MRSA (Methicillin-resistente Staphylokokken) oder VRE (Vancomycin-resistente Enterokokken) beitragen und dafür sorgen, dass sich Erreger nicht mehr über Kontaktflächen verbreiten.

Das Projekt ist Teil der Weltraummission Cosmic Kiss von ESA-Astronaut Matthias Maurer, der Anfang November zur ISS gestartet ist. Matthias Maurer und andere Astronauten berühren die Touch Arrays ebenfalls wöchentlich und übertragen so die Mikroorganismen von ihren Händen auf die Oberflächen. Die fünf Touch Arrays von der ISS werden später zur Erde zurückgeschickt und im DLR analysiert.

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• ISS Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: Universität Wien.

Galaktische kosmische und solare UV-Strahlung, extremes Vakuum, Temperaturschwankungen: Wie können Mikroben, die diesen Herausforderungen im Weltraum ausgesetzt sind, dort überleben? Ein internationales Team um Weltraumbiochemikerin Tetyana Milojevic von der Universität Wien untersuchte, wie spezielle resistente Mikroben den Transfer von einem Himmelskörper zu einem anderen physisch überleben können. Ihre Studie liefert ein tieferes Verständnis der molekularen Mechanismen der mikrobiellen Überlebensfähigkeit im Weltraum generell. Die Ergebnisse erscheinen aktuell in der Fachzeitschrift „Microbiome“.

Seit den Anfängen der Weltraumforschung ist die Menschheit vom Überleben des irdischen Lebens im Weltraum fasziniert. Der Weltraum ist eine feindliche Umgebung für jede Form von Leben, aber einige außerordentlich resistente Mikroorganismen sind dazu sehr wohl in der Lage. Solche Extremophilen können zwischen Planeten migrieren und das Leben im Universum verteilen, was die so genannte Panspermie-Hypothese oder einen interplanetaren Lebenstransfer argumentativ stärkt.

Das extremophile Bakterium Deinococcus radiodurans besteht auch unter dem drastischen Einfluss des Weltraums; u.a. galaktischer kosmischer und solarer UV-Strahlung, extremen Vakuum, Temperaturschwankungen, Austrocknung, Gefrieren und Mikrogravitation. In der aktuellen Studie untersuchten die Wissenschafter*innen den Einfluss des Weltraums auf diese einzigartige Mikrobe auf molekularer Ebene. Nach einem Jahr Exposition im Zuge der Tanpopo-Weltraummission auf niedriger Erdumlaufbahn außerhalb der Internationalen Raumstation fanden die Forscher*innen heraus, dass D. radiodurans morphologische Schäden vermeiden kann. Um den Zellstress zu lindern und DNA-Schäden zu reparieren, verwendete D. radiodurans das Polyamin Putrescin als Stressmolekül und initiierte entsprechende genomische Reaktionen. Auch die dem Transport- und Energiestatus zugrunde liegenden Prozesse wurden als Reaktion auf die Weltraumexposition geändert.

„Diese Untersuchungen helfen uns, die Mechanismen und Prozesse zu verstehen, durch die Leben außerhalb der Erde in der feindlichen Umgebung des Weltraums existieren kann. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Überleben von D. radiodurans aufgrund seines effizienten molekularen Reaktionssystems über einen längeren Zeitraum möglich ist: Für Organismen mit solchen Fähigkeiten sind auch noch längere, weiter entfernte Reisen möglich“, sagt Tetyana Milojevic, Leiterin der Weltraumbiochemie-Gruppe an der Universität Wien und Korrespondenzautorin der Studie.

Gemeinsam mit ihren Kolleg*innen von der Universität für Pharmazie und Biowissenschaften in Tokio (Japan), der Forschungsgruppe Astrobiologie am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR, Köln), dem Wiener Metabolomics Center (ViMe) an der Universität Wien und dem Zentrum für Mikrobiomforschung der Medizinischen Universität Graz beantworteten die Forscher*innen nicht nur die Frage, bis zu welchem Ausmaß, sondern auch wie extremophile Mikroben drastische Weltraumbedingungen tolerieren können.

Publikation in „Microbiome“:
E. Ott, Y. Kawaguchi, D. Kölbl, E. Rabbow, P. Rettberg, M. Mora, C. Moissl-Eichinger, W. Weckwerth, A. Yamagishi, T. Milojevic „Molecular repertoire of Deinococcus radiodurans after 1 year of exposure outside the International Space Station within the Tanpopo mission.“ Microbiome 8, 150 (2020).
https://doi.org/10.1186/s40168-020-00927-5

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• Leben im Sonnensystem

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Quelle: DLR.

Astrobiologen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) schickten im September 2019 einen ganzen „Zoo“ aus Mikroorganismen wie Bakterien und Schimmelpilze mit einem Stratosphärenballon der US-amerikanischen Raumfahrtagentur NASA auf eine neunstündige Reise bis 30 Kilometer über der Erde. Dort hat die Erdatmosphäre eine deutlich verminderte Schutzwirkung. Temperatur, Atmosphäre, Strahlung und Druck ähneln eher den Bedingungen auf dem Mars. Die Proben des MARSBOx-Projekts wurden vom DLR-Team in den vergangenen Wochen analysiert, jetzt liegen die vorläufigen Ergebnisse der Biologieexperimente vor: Bakterien sind zu einem Großteil abgetötet worden. Vor allem die starke UV-Strahlung machte den Bakterien zu schaffen. Nur wenige Staphylokokken, Keime im menschlichen Körper, überlebten die Reise. Sporen von Schimmelpilzen dagegen haben unter den extremen Bedingungen in der Stratosphäre besser überlebt.

„Bakterien werden in der Raumfahrt bereits seit den Apollo-Missionen erforscht. Auch Pilze sind ‚weltraumrelevante Organismen‘. Die Forschung an ihnen steckt allerdings erst in den Anfängen“, sagt Prof. Dr. Ralf Möller, Mikrobiologe am Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln. Die Zusammenarbeit seines Teams mit dem Ames Research Center der NASA bei dem Stratosphärenflug bot die Chance, einen Probenträger unkompliziert und kostengünstig fliegen zu lassen. Viele der Bakterien und Pilze sind zum ersten Mal in großer Höhe getestet worden.

Dass bestimmte Pilze bei diesen extremen atmosphärischen Bedingungen resistenter sind, erklärt Ralf Möller so: „Schimmelpilze bilden zur Verbreitung Sporen aus, die sehr resistent gegenüber extremen Umweltbedingen wie Trockenheit und Strahlung sind. Außerdem haben Pilze sehr effiziente Schutzmechanismen vor Strahlung wie etwa starke schwarze Pigmentierung und eine effektive DNA-Reparatur. Viele Bakterien haben zwar ähnliche Eigenschaften, jedoch sind die Schimmelpilzsporen eindeutig resistenter gegenüber den extremen Marsbedingungen als die von uns getesteten Bakterien. Die Ergebnisse zeigen uns, wie wichtig es ist, weiter an Mikroorganismen und insbesondere an Pilzen und ihren Überlebenseigenschaften im Weltraum zu forschen – nicht zuletzt für die Gesundheit der Astronauten auf Langzeitmissionen zu Raumstationen oder später zu Habitaten auf Mond und Mars.“

Mikroorganismen – eine Herausforderung für die Raumfahrt

Bakterien und Pilze gehören zur Natur und auch zum Menschen. Ob äußerlich auf der Haut oder im Organismus, viele Arten sind harmlos oder sogar nützlich. Es gibt aber auch solche, die ernsthafte Erkrankungen auslösen. Auf Raumstationen oder bei zukünftigen Reisen zu anderen Planeten stellen sie unsichtbare Gefahren für die Raumfahrerinnen und Raumfahrer dar. Zudem geht es um die sogenannte Planetary Protection: Werden mit Bakterien oder Pilzen besetzte Lander, Rover oder andere Raumfahrzeuge auf Planeten und Himmelskörpern abgesetzt, könnten sie die Oberfläche kontaminieren.

Für das Team des DLR geht die Forschung an Mikroorganismen unter Weltraumbedingungen bald weiter: Bereits im Sommer 2020 sollen Proben für eine große Testkampagne zur Internationalen Raumstation ISS gebracht werden, um Kurz- und Langzeiteffekte bei Schwerelosigkeit zu untersuchen.

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Ein Beitrag von Roman van Genabith. Quelle: JPL.

Auf der ISS grassieren möglicherweise etwas zu viele Bakterien. Zu diesem Schluss kommen NASA-Wissenschaftler in einem Papier, nachdem sie Proben von der Raumstation aus einem Luftfilter, sowie aus Staubsaugerbeuteln untersuchten.

Als Referenz dienten hier die Bedingungen in einem Reinraum der NASA, eine wissenschaftlich sinnvolle Herangehensweise. Natürlich schlägt die filtrierte und häufig desinfizierte Umgebung eines Reinraums jedes irdische Biotop. Sie ist die Ideallinie, mit der sich die zu testende Umgebung vergleichen lässt.

Alle Ausrüstungsgüter für die ISS gehen vor ihrem Start ebenfalls durch einen Reinraum. Die Forscher entdeckten nun in den Proben von der ISS, dass auf der Raumstation überdurchschnittlich viele Bakterien vertreten waren, die zur Abteilung der Actinobacteria zu rechnen sind.

Diese können sogenannte opportunistische Infektionen auslösen, das bedeutet, dass sie einem Organismus dann zusetzen, wenn er schon durch einen anderen Effekt gesundheitlich angeschlagen ist.

Die Studie gibt allerdings keine endgültigen Antworten und liefert, anders als in verschiedenen Medien–Berichten geschildert, keinen Grund zur akuten Besorgnis.

In anschließenden Studien sollen nun mögliche Wirkungen einzelner Bakterienstämme erforscht werden. Ferner soll die Möglichkeit, dass Viren auf die ISS gelangen, näher untersucht werden.

Für Langzeitmissionen sind Untersuchungen wie diese hingegen zweifellos von Bedeutung, ebenso wie über mögliche Gegenmaßnahmen geforscht werden muss.

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• ISS Hauptthema

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Ein Beitrag von Gertrud Felber und Klaus Donath. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft, NASA.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz und der Universitäten in Utrecht und Edinburgh haben mit einem Experiment harausgefunden, dass das Methan auf dem Mars von Meteoriten und nicht von Bakterien stammen könnte. Dafür bestrahlten sie Bruchstücke vom Murchison-Meteorit unter Mars-ähnlichen Bedingungen mit starkem ultraviolettem Licht. Dadurch wurden sehr schnell größere Mengen an Methan freigesetzt, welche hochgerechnet die in der Atmosphäre des Mars‘ gemessenen Methanwerte erklären könnten. Es zeigte sich, dass durch Bestrahlung des Meteoritenmaterials mit dem UV-Licht durch Zersetzung bis zu 787 Tonnen Methan jährlich produziert werden könnten, so dass die Methanmenge auf dem Mars damit auch ohne lebende Organismen erklärt werden kann.

Nach Ansicht der Forscher entsteht Methan durch die Bestrahlung mit dem energiereichen UV-Licht aus unzähligen kleinen Mikro-Meteoriten und interplanetaren Staubteilchen, welche aus dem Weltall auf der Marsoberfläche auftrafen. Bis jetzt konnte keine der früheren Theorien vollständig die Freisetzung von 200 bis 300 Tonnen Methan pro Jahr erklären. Das Experiment der Forscher hat für die Suche nach Leben auf dem Mars und anderen Planeten natürlich erhebliche Konsequenzen. Es schwächt die Vermutung über noch heute existierende Mikroben im Untergrund des Mars‘. Die ähnliche Atomzusammensetzung vom freiwerdenden Methangas aus biologischen wie geochemischen Quellen machen aber eine definitive Zuordnung schwierig.

Der 4,6 Milliarden Jahre alte Murchison-Meteorit schlug 1969 in der australischen Stadt Murchison ein. Nach den Aussagen der Wisssenschaftler enthält dieser Meteorit mehrere Prozent Kohlenstoff und hat eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie die Hauptmenge des Meteoritengesteins, welches auf der Marsoberfläche zu finden ist. Da Mars über keine Ozonschicht verfügt, trifft die UV-Strahlung der Sonne fast ungefiltert auf die Oberfläche. Die Forscher setzten für das Experiment eine äquivalente Menge an UV-Strahlen ein. Dieser Mechanismus könnte auch erklären, warum die Marsatmosphäre am Äquator und in den wärmeren Bereichen besonders viel Methan enthält, denn die senkrecht zur Oberfläche einfallende Sonnenstrahlung ist pro Quadratzentimeter gemessen energiereicher als an den Polen.

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• Planet Mars

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Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: Science / eigene Bewertung. Vertont von Peter Rittinger.

Chemiker und Astrobiologen an der Arizona State University sammelten Schlammproben aus dem kalifornischen Mono Lake, ein sehr salziges und alkalisches Gewässer, das hohe Konzentrationen an Arsen enthält. Im Labor züchteten die Forscher Protobakterien aus dem vorhandenen Sediment vom Stamm GFAJ-1.
Das Nährmedium enthielt kaum Phosphor und die Zufuhr von Arsen wurde laufend erhöht. Die wachsenden Kulturen wurden über einen Zeitraum von 2 Jahren immer wieder in eine neue Schale übersiedelt, um das ursprünglich noch vorhandene Phosphor weiter zu reduzieren. Das überraschende Ergebnis: Die Bakterien vermehrten sich weiter und gediehen prächtig, ohne feststellbaren Schaden.

Mit Hilfe verschiedener Methoden analysierten die Forscher in der Folge, ob die Bakterien tatsächlich Arsen in ihren Stoffwechsel einbezogen hatten. Es konnte eindeutig festgestellt werden, dass das Gift tatsächlich in der Desoxyribonukleinsäure (DNA), in Proteinen und in Zellmembranen vorhanden war. Arsen hatte an manchen Stellen fast den zentralen Baustein Phosphor ersetzt. Von Astrobiologen wurde die Entdeckung als ein Meilenstein gewertet, da sie die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass außerirdisches Leben existiert.

(Raumfahrer.net berichtete)

Nach Sichtung der Versuchsdaten wurden aber jetzt kritische Stimmen laut. Es existieren 2 Studien, die im Abstand von einem größeren Zeitraum erstellt worden sind, die aber eindeutig widersprüchliche Ergebnisse aufweisen. In der Versuchsdaten-Listung wurde jedoch ein gemeinsamer Mittelwert daraus errechnet, was nicht legitim ist. Des Weiteren wird ein Wert für ein Arsengehalt von 0,19 +/- 0,25 geführt, was aber bedeuten würde, dass die Fehlerwahrscheinlichkeit größer als der Messwert selber ist. Also ist Skepsis schon berechtigt.

Auch die Aussage der Wissenschaftler wird angezweifelt, dass GFAJ-1 sich ausschließlich von Arsen ernähren kann, wenn Phosphat nicht mehr zur Verfügung steht. Die Probanden enthielten nämlich immer noch eine Menge Phosphat. Das Verhältnis für die Phosphat-Anteile war mit 6.9×10^-6 zwar niedrig, aber gegen den Anteil von 13.4×10^-6 doch noch erheblich. Was sagt, dass die DNA nicht komplett phosphorfrei ist und nur noch Arsen enthält. Möglich ist, dass die Wissenschaftler den Grenzbereich erreicht haben, den die angewandte Messmethode überhaupt zulässt. Um dies abzuklären, müssten noch mehrere Versuchsreihen ausgewertet werden.

Die Kritiker meinen deshalb, dass es weit verfrüht ist, hier von einer Sensation zu sprechen. Man sollte also die Biochemie nicht neu schreiben, man kann bestenfalls eine hervorgehobene Anmerkung machen.

Für den Autor stellt sich die Frage, ob diese Versuchsreihe eine Bewertung finden kann hinsichtlich der Entstehung von Leben unter diesen Bedingungen oder ob hier die Evolution nachgeholfen hat. Es scheint ja nicht bekannt zu sein, ob die Bakterien sich der Umgebung angepasst haben, also nach einem Leben in arsen-freier Umgebung oder ob sie sich grundsätzlich in dieser sonst lebensfeindlichen Umgebung parallel entwickelt haben.

Der Beitrag Kritik an arsenbasierten Mikroorganismen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.