Quelle: DLR 12. September 2023.

Am 12. September 2023 ist es (mal) wieder so weit: Der Airbus A310 der Firma Novespace ist um 9:00 Uhr vom Flughafen Bordeaux-Mérignac aus gestartet, um Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusammen mit ihren Experimenten in die Schwerelosigkeit zu bringen. Es ist der erste von insgesamt drei Flügen in der 41. Parabelflugkampagne der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die vom 4. bis zum 15. September 2023 in Bordeaux stattfindet. An Bord sind elf Experimente – fünf aus den Bereichen Biologie und Lebenswissenschaften, eins aus der Biotechnologie sowie drei aus der Grundlagenphysik, eins aus den Materialwissenschaften und eins aus dem Bereich Technologie.

Mit an Bord: ein deutsch-japanisches Experiment
„Mit an Bord der 41. Kampagne ist dieses Mal auch ein ganz besonderes Experiment: Denn wir haben ein Team aus Japan mit dabei, das gemeinsam mit einem deutschen Team der Planetenentstehung auf den Grund geht. Wir freuen uns sehr, dass unsere Flüge in die Schwerelosigkeit immer internationaler werden und auch Teams aus fernen Ländern die Chance ergreifen, ihre Experimente, in Kooperation mit deutschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, bei uns in die Schwerelosigkeit zu bringen“, freut sich Dr. Katrin Stang, Parabelflug-Programmleiterin bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, auf die anstehenden Flugtage. Das besagte deutsch-japanische Experiment „ice-DUST“ ist eines von drei neuen Experimenten und untersucht, wie sich Eis-Nanopartikel und Wassermoleküle zu immer größeren Staubpartikeln verklumpen, deren Entstehung dann letzten Endes zum Verständnis der Planetenentstehung beiträgt. Das ebenfalls neue Experiment „DALERA“ testet eine neue 3D-Bioprinting-Methode in Schwerelosigkeit für die medizinische und auch für die nichtmedizinische Anwendung. Das „Tears in Heaven“-Experiment untersucht, ob Messungen des Lidschlages und der Tränenfilmdynamik Rückschlüsse auf den Zustand der Augenoberfläche in Schwerelosigkeit zulassen.

Reserveastronautinnen bekommen Vorgeschmack auf Experimentieren in Schwerelosigkeit
Zwei Experimente haben auf dieser Kampagne zudem ein prominentes Teammitglied: Die deutsche ESA-Reserveastronautin Amelie Schoenenwald wird den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Experiment „TRANSEUGRA“ zur Seite stehen, um mehr über diese besonderen Einzeller in Erfahrung zu bringen. Die andere deutsche ESA-Reserveastronautin Nicola Winter wird beim „SCARLETT“-Experiment unterstützen und damit dazu beitragen, das Abrutschen eines Hügels, Berges oder Kraters auf einer simulierten Marsoberfläche zu untersuchen. So können die beiden schon einmal für einen möglichen Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS im freien Fall experimentieren und so einen Vorgeschmack auf die Arbeit in Schwerelosigkeit bekommen.

Ice-DUST – Wie Planeten aus Eis und Staub entstehen
In den Tiefen des Weltalls entsteht in kalten Molekülwolken auf den Oberflächen kosmischer Staubpartikel Wassereis. Kommt es darüber hinaus zur Bildung weiterer Moleküle, dann scheiden sich diese hauptsächlich auf den Eisoberflächen ab. Wenn sich später eine protoplanetare Scheibe und schließlich ein neues Planetensystem aus dieser Molekülwolke bildet, erhöht sich die Temperatur zuerst, bevor die protoplanetare Scheibe wieder abkühlt. Dadurch verdampft das Eis zunächst, ehe die Wassermoleküle sich auf den Staubteilchen wieder abscheiden. Die Sublimation findet im thermischen Gleichgewicht statt, während die Kondensation als Nicht-Gleichgewichts-Prozess abläuft und die Keimbildung miteinschließt. Daher sind theoretische Vorhersagen über die Bildung von Eispartikeln in jungen Planetensystemen schwierig und die Temperatur- und Dichtebedingungen für sublimiertes Eis, das den Staub wieder bedeckt, sind nicht eindeutig. Das deutsch-japanische Forscherteam der Technischen Universität Braunschweig will im Parabelflug durch Keimbildungsexperimente an Mineralstaub die wichtigsten physikalischen Größen wie freie Oberflächenenergie und Haftwahrscheinlichkeit von Eis-Nanopartikeln in der tatsächlichen Partikelgröße im Nanometerbereich und unter realistischen Temperatur- und Druckbedingungen bestimmen, um mehr über die Entstehung von Planeten zu erfahren.

DALERA – 3D-Bioprinting in Schwerelosigkeit
Wollen wir den Mond und später auch den Mars astronautisch erforschen, muss die Besatzung an Bord von Raumschiffen medizinisch versorgt und gleichzeitig der Betrieb lebenserhaltender Systeme verbessert werden. Für beides zeigt das 3D-Bioprinting – also der 3D-Druck unter Einbeziehung lebender Zellen – großes Potenzial. So können „maßgeschneiderte“ Gewebe für Menschen autark hergestellt werden, um Verletzungen der Besatzung wie zum Beispiel Hautwunden unabhängig von der Erde im Weltraum behandeln zu können. Darüber hinaus kann diese äußerst vielseitige Technologie auch für nichtmedizinische Anwendungen wie die Schaffung von Lebenserhaltungssystemen, die Produktion von Nahrungsmitteln oder zur Arzneimittelsynthese genutzt werden – beispielsweise durch das Biodrucken von Mikroalgen oder Pflanzenzellen. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Parabelflug-Mission sollen helfen, den Einfluss von Schwerelosigkeit auf den Druckprozess des 3D-Bioprintings besser zu verstehen. Das Team von der Technischen Universität/Uniklinikum Dresden will mit DALERA Experimente an Bord der Internationalen Raumstation ISS vorbereiten, auf der bis Ende 2026 ein 3D-Biodrucker von der Europäischen Weltraumorganisation ESA für Forschungszwecke installiert werden soll.

Tears in Heaven – Wie Tränen in Schwerelosigkeit richtig (ab)fließen
Astronautinnen und Astronauten sind in der Schwerelosigkeit besonderen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die sich auf ihre alltägliche Arbeit an Bord der Raumstation auswirken können. So treten zum Beispiel häufig Probleme mit der Augenoberfläche auf, die aber bisher nicht angemessen untersucht oder behandelt wurden. Zu den Symptomen vom Trockenen Auge gehören Augenreizungen, Überanstrengung der Augen, Fremdkörpergefühl und verschwommenes Sehen. Diese Symptome werden von Astronauten häufig angegeben, wobei über 30 Prozent der Mitglieder von ISS-Crews von Reizungen und Fremdkörpergefühlen berichten. Erste Analysen anhand von Portraitaufnahmen von Astronauten ergaben, dass beispielsweise die Augenbrauenhöhe signifikant in der Mikrogravitation zunimmt. Dies könnte sich negativ auf den Lidschlagprozess auswirken. Dabei ist ein gesunder Tränenfilm – und damit eine klare Sicht – eine der Voraussetzungen für funktionstüchtige Augen und gleichzeitig die Grundlage für ein erfolgreiches Arbeiten innerhalb und vor allem auch außerhalb der ISS. Die Forschungsarbeiten des Teams der Universität des Saarlandes auf der Erde haben gezeigt, dass Messungen des Lidschlages und der Tränenfilmdynamik Rückschlüsse auf den Zustand der Augenoberfläche zulassen. In dieser ersten Phase des Projekts „Tears in Heaven“ wollen sie testen, ob und wie sich Tränenfilm und Lidschlag in der Schwerelosigkeit und der doppelten Schwerkraft untersuchen lassen.

TRANSEUGRA – Wahrnehmung von Licht- und Schwerkraft bei Einzellern
Einzeller – wie zum Beispiel die Süßwasseralge Euglena gracilis – reagieren empfindlich auf Veränderungen in ihrer Umwelt. „Da sich aus dieser Alge biotechnologisch und medizinisch bedeutsame Substanzen mit breitem Anwendungsspektrum gewinnen lassen und sie daher zunehmend eine wichtige Rolle in der Biotechnologie spielt, wollen wir mehr zu deren Orientierungsverhalten bezüglich Licht und Schwerkraft herausfinden. Nur so kann die Massenproduktion dieser Alge in Zukunft weiter verbessert werden. Da ich mich schon während meines Studiums für Astrobiologie interessiert habe, freue ich mich jetzt besonders darauf, einmal selbst in Schwerelosigkeit Hand anlegen zu können. Das geht nur im Parabelflug oder auf der ISS“, erklärt Amelie Schoenenwald, die die Universität Erlangen bei ihren Versuchen unterstützt. So schwimmen die Zellen zum Beispiel auf schwache Lichtquellen zu und von starken Lichtquellen weg. Außerdem zeigen sie bei plötzlicher Veränderung der Lichtintensität ein Taumelverhalten. Die Zellen sind zusätzlich in der Lage, Schwerkraft wahrzunehmen und ihr Schwimmverhalten entsprechend auszurichten. Ohne Licht schwimmen die Zellen entgegen der Gravitation nach oben. Da sich die Signalwege der Licht- beziehungsweise Schwerkraftwahrnehmung überschneiden, soll in den Flugexperimenten unter anderem eine mögliche Interaktion untersucht werden. Nur in Schwerelosigkeit lässt sich die Wahrnehmung des Lichts getrennt von der der Beschleunigung untersuchen, da keine Erdanziehungskräfte auf die Zellen mehr wirken.

SCARLETT – Wenn Marshänge im Parabelflug ins Rutschen geraten
Der Mars hat eine extrem dünne Atmosphäre. Herrscht auf der Erde ein Druck von etwa 1.000 Hektopascal, so ist er auf dem Marsboden im Mittel gerade einmal sechs Hektopascal schwach. Dieser geringe Druck hat Folgen: Gas bewegt sich in den Poren von kalten zu warmen Stellen, was als thermisches Kriechen bekannt ist. In unserem Sonnensystem findet man dieses Phänomen nur im Marsboden. „Schon während meines Studiums hat mich interessiert, welchen Gesetzmäßigkeiten die Planeten in unserem Sonnensystem unterworfen sind. Als ich gefragt wurde, ob ich im Parabelflug an einem solchen Experiment mitwirken will, war ich sofort mit dabei. Denn so kann ich mich sehr gut auf einen späteren Einsatz im Weltraum vorbereiten“, sagt Nicola Winter, die in Bordeaux Forscherinnen und Forscher der Universität Duisburg-Essen unterstützt. In SCARLETT wird untersucht, ob und wie der Hang eines Hügels, Berges oder Kraters oberhalb eines bestimmten Neigungswinkels durch thermisches Kriechen abrutscht. Denn auch in Marskratern beziehungsweise auf Marshängen werden diese Hänge oberhalb eines bestimmten Winkels instabil und rutschen ab. Allerdings sind diese Hänge viel flacher als erwartet. Die Forscherinnen und Forscher wollen herausfinden, unter welchen Bedingungen und bei welchem Winkel die Hänge zu rutschen beginnen.

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• Parabelflüge

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Quelle: BIH.

15. Februar 2022 – Nicht nur für Brandopfer auf der Erde könnte dies eine wertvolle Alternative zur Eigenhauttransplantation sein: Auch Astronauten und Astronautinnen könnten so fernab von jeder Klinik individuell versorgt werden. Ob der Drucker in der Schwerelosigkeit funktioniert, testen die Forscher*innen auf einem Parabelflug.

Ob Brand- oder Schürfverletzungen: Bei einer Fläche von mehreren Quadratzentimetern sind die Selbstheilungskräfte des Körpers überfordert und es hilft oft nur noch eine Eigenhauttransplantation. Doch sowohl beim Entnehmen als auch beim Verpflanzen stellen sich Probleme, erklärt Professor Georg Duda, der Direktor des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Musculoskeletale Regeneration im BIH und Sprecher des BIH Centrums für Regenerative Therapien (BCRT). „Es treten hierbei leider oft Vernarbungen auf, die sowohl medizinisch als auch kosmetisch weder Arzt noch Patient zufriedenstellen. “Auf der Suche nach einer Alternative stießen die Wissenschaftler*innen um Duda auf die Firma Cellbricks: Das Unternehmen hat einen 3D-Drucker entwickelt, der individuelle Hautpatches verschiedener Größe und Form drucken kann.

Biologische Druckertinte
„Die Druckertinte ist in unserem Fall biologisch“, erklärt Bianca Lemke, Doktorandin bei Professor Duda. „Sie besteht aus einer besonderen Form von Gelatine mit Metacrylatenden, die bei UV-Belichtung aushärtet. Da hinein mischen wir Hautzellen, die idealerweise vom Empfänger selbst stammen. Und mit besonderem technischen Aufwand können wir sogar kleine Röhren hineindrucken, die wir anschließend mit Blutgefäßzellen besiedeln, so dass das Hautpatch sogar Blutgefäße enthält.“ Am Drucker einstellbar sind Form und Größe des erforderlichen Wundverschlusses, je nach Herausforderung dauert der Druck eine oder mehrere Stunden.

„Auf einem Symposium des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) kam die Frage auf, ob man 3D Bioprinting nicht auch für Astronauten nutzen könnte“, erzählt der Diplom-Ingenieur. „Denn der Weg zum Mars ist weit, und auch von der ISS kann man nicht kurzfristig zur Erde zurückkommen, wenn man sich eine größere Verletzung zugezogen hat. Und da wäre so eine individuelle Lösung durchaus praktisch.“ Doch nun stellt sich die Frage, ob so ein 3D-Drucker überhaupt in der Schwerelosigkeit funktioniert. Schwebt die flüssige Tinte nicht davon? Härtet die Gelatine wie geplant aus?

Test beim Parabelflug
Um diese Fragen zu klären, startet Bianca Lemke heute von Paderborn aus zu einem Parabelflug, auf dem der 3D-Drucker getestet werden soll. „Vor Abflug wird es verschiedene Sicherheitschecks geben. Da wir mit Flüssigkeiten drucken und sich diese während der Mikrogravitationsphasen im Flugzeug verteilen könnten, sind natürlich Maßnahmen zur Eindämmung nötig. Die Drucker befinden sich in einem Kasten, der verschiedenen mechanischen Tests und Belastungen standhalten muss. Dementsprechend wird auch das überprüft. Danach wird alles abgepolstert, damit sich keiner der Teilnehmer versehentlich beim Herumschweben im Flugzeug den Kopf stößt. Und dann geht das Ganze ins Flugzeug und wird dort montiert. Bei verschiedenen Funktionstests im Flugzeug wird sicher gestellt, dass auch hier alles funktioniert. Und dann starten wir!“

Während des insgesamt fünfstündigen Fluges werden 31 Parabeln geflogen, das heißt, die Maschine steigt auf einer parabelförmigen Kurve auf, fällt anschließend steil ab und steigt wieder auf. Während des oberen Teils der Parabel kommt es für etwa 20 Sekunden zur Schwerelosigkeit, beim Auf- und Abstieg herrscht kurzzeitig mehrfache Erdanziehungskraft. Um zu überprüfen, wie das Druckergebnis von der Erdanziehungskraft beeinflusst wird, integriert Bianca Lemke Microbeads in die Druckerflüssigkeit: „Diese Microbeads sind kleine fluoreszierende Kügelchen, ungefähr in der Größe von Zellen. Damit untersuchen wir das Sedimentationsverhalten von Zellen während des Fluges. Denn schon auf der Erde haben wir beobachtet, dass die Zellen absinken, wenn die Tinte länger steht. Wir befürchten, dass in den Hypergravitationsphasen alle absinken, aber wir hoffen, dass während der Schwerelosigkeit gar nichts mehr absinkt.“ Professor Georg Duda bleibt am Boden und ist schon gespannt auf die Ergebnisse: „Wir hoffen sehr, dass die Druckergebnisse stabil sind, zumindest während der Schwerelosigkeit. Denn dann könnten wir eines Tages den Astronauten tatsächlich eine personalisierte Wundversorgung anbieten. Auch wenn es bis dahin sicher noch ein weiter Weg ist.“

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: TU Dresden.

26. Januar 2022 – In den letzten Jahren haben eine ganze Reihe von spektakulären Weltraummissionen wie Landungen von Robotern auf dem Mars und auf der erdabgewandten Seite des Mondes stattgefunden, die eindrucksvoll demonstrieren, welche technischen Möglichkeiten inzwischen zu Verfügung stehen. Dies eröffnet neue Perspektiven für bemannte Missionen zunächst zum Mond (auf dem zuletzt 1972 Astronauten gelandet sind), später aber auch zum Mars. Um das Risiko für die Astronaut*innen bei solchen sehr lange dauernden Expeditionen möglichst gering zu halten, forschen die internationalen Raumfahrtagenturen intensiv daran, von der Erde unabhängige Systeme zu entwickeln, die bei technischen, aber auch gesundheitlichen Problemen eingesetzt werden können. Während Crew-Mitglieder auf der Internationalen Raumstation ISS bei Eintreten eines Notfalls immer sehr kurzfristig auf die Erde zurückkehren können, ist dies bei einer Marsmission aus verschiedenen Gründen, wie der Bahnmechanik oder den verfügbaren Ressourcen, ausgeschlossen.

Eine zentrale Rolle bei solchen Notfallsystemen spielen die additiven Herstellungsverfahren, oft vereinfachend als 3D-Druck bezeichnet. Im technischen Bereich lassen sich damit einerseits große Strukturen unter Nutzung der vorgefundenen Ressourcen erzeugen und andererseits schnell und flexibel Ersatzteile für Raumschiff oder Bodenfahrzeuge herstellen. Aber auch beim Auftreten ernsthafter gesundheitlicher Probleme, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Verletzung, kann der 3D-Druck helfen. Hier kommt das sogenannte „Bioprinting“ ins Spiel, welches das dreidimensionale Drucken lebender Zellen zu gewebeartigen Konstrukten beschreibt. Das Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung – eine Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung von Universitätsklinikum und Medizinischer Fakultät der TU Dresden unter der Leitung von Prof. Michael Gelinsky – gehört zu den deutschlandweit führenden und auch international erfolgreichen Laboren auf dem Gebiet des Bioprintings.

Beauftragt und finanziert durch die Europäische Weltraumagentur ESA und zusammen mit dem Bremer Weltraumtechnologie-Konzern OHB hat das Zentrum 2018 begonnen, den möglichen Einsatz des Bioprintings bei Weltraummissionen zu untersuchen; ein damals völlig neues Thema. Neben der Herstellung von Ersatzgeweben, beispielsweise zur Behandlung von schweren Verletzungen der Haut oder komplexen Knochenbrüchen, können mit dem Bioprinting auch sehr definierte Gewebemodelle erzeugt werden, an denen z. B. auf der ISS der Einfluss der Weltraumbedingungen wie Schwerelosigkeit und kosmische Strahlung auf Zellen und Gewebe untersucht werden können. Um Wissenschaftler*innen diese Möglichkeit der lebenswissenschaftlichen Grundlagenforschung zu eröffnen und den Einsatz des Bioprintings in der Weltraummedizin weiter zu erforschen hat die ESA inzwischen beschlossen, einen 3D-Bioprinter für das Biolab im Columbusmodul der ISS zu bauen. Dieser soll dort ab 2025 für Experimente zu Verfügung stehen. Derweil hat die ESA das Bioprinting-Labor von Prof. Gelinsky und Dr. Anja Lode in Dresden zu einer „ESA Ground-Based Facility“ erklärt, was europäischen Forscher*innen die Möglichkeit gibt, unterstützt durch die ESA in Dresden vorbereitende Untersuchungen mit der dort vorhandenen, hervorragenden Ausstattung und beraten durch die Dresdner Expert*innen durchzuführen.

Um diese Entwicklungen und Möglichkeiten auch international weiter bekanntzumachen werden die ESA, die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die TU Dresden am 15. & 16. März in Dresden einen Workshop zum Thema „Bioprinting im Weltraum“ veranstalten. Dieser soll dem Austausch zwischen Astronauten, Bioprinting-Experten und Fachleuten auf dem Gebiet lebenswissenschaftlicher Forschung im Weltraum dienen und Experimente anregen, welche zur Vorbereitung des Einsatzes der Bioprinting-Technologie auf der ISS notwendig sind.

Ein „in situ-Hautdrucker“ hat derweil schon den Weg auf die ISS gefunden: ein vom DLR beauftragtes und von OHB gebautes Gerät, mit dem ein zellhaltiges Hydrogel zur Beschleunigung der Heilung direkt auf eine Wunde aufgebracht werden kann, wird von Matthias Maurer im Rahmen seines aktuellen, sechsmonatigen Aufenthalts auf der ISS mit Modellmaterialien getestet werden. Die zugehörige ESA-Weltraummission trägt den schönen Namen „Cosmic Kiss“. Professor Gelinsky von der TU Dresden ist als wissenschaftlicher Berater von der Erde aus mit dabei.

Publikation:
N. Cubo Mateo, S. Podhajsky, D. Knickmann, K. Slenzka, T. Ghidini, M. Gelinsky: Can 3D bioprinting be a key for exploratory missions and human settlements on the Moon and Mars? Biofabrication 2020, 12, 043001.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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