Quelle: DLR 17. Januar 2024.

17. Januar 2024 – Am 17. Januar 2024 soll der schwedische Projekt-Astronaut der Europäischen Weltraumorganisation ESA, Marcus Wandt, an Bord einer Dragon-Kapsel des US-Raumfahrtkonzerns SpaceX vom Raumfahrtbahnhof Cape Canaveral in Florida zu seiner Mission „Muninn“ (deutsch: Rabe) aufbrechen. Es ist das erste Mal, dass ein ESA-Astronaut auf einer kommerziellen Mission des US-Startdienstleisters Axiom gebucht wurde. Während seines 14-tägigen Aufenthaltes soll er 20 Experimente absolvieren und zudem Experimenthardware an Bord der Internationalen Raumstation ISS warten.

Zehn solcher Aktivitäten betreffen auch Experimente mit deutscher Beteiligung. Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) koordiniert die wissenschaftliche Beteiligung der deutschen Experimente, an denen neben dem DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, dem DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum und dem DLR-Institut für Robotik und Mechatronik auch noch die Ludwig-Maximilian-Universität in München, die Berliner Charité sowie die Universitäten Gießen, Greifswald und Kiel sowie ACCESS Aachen beteiligt sind.

Die ersten wissenschaftlichen Messungen unmittelbar nach der Landung wird Marcus Wandt – wie alle ESA-Astronauten seit Alexander Gerst im Jahr 2014 – im :envihab des DLR in Köln durchführen. Das :envihab, die moderne Forschungsanlage des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin, befindet sich unmittelbar neben dem Europäischen Astronautenzentrum EAC. Neben wissenschaftlichen Experimenten finden dort auch Wandts medizinische Untersuchungen statt.

CIMON: Wissenschaftspremiere im All
Sprachassistenten unterstützen die Menschen bei ihrer täglichen Arbeit. Ein solches digitales Assistenzsystem hilft auch Marcus Wandt auf der ISS. Als „Crewmitglied“ ist CIMON (Crew Interactive MObile companioN) ein fliegender und smarter Astronautenassistent. Ausgestattet mit Künstlicher Intelligenz (KI), soll er die Astronautinnen und Astronauten im „klassischen“ Sinne der Mensch-Maschine-Interaktion bei ihrer täglichen Arbeit unterstützen und noch effizienteres Arbeiten auf der Raumstation ermöglichen. Nach der erfolgreichen Technologiedemonstration mit Alexander Gerst, Luca Parmitano und Matthias Maurer soll CIMON mit Marcus Wandt zum ersten Mal wissenschaftlich in Betrieb gehen. Mit dieser Forschung auf der ISS soll er auf der Erde Innovationen für Anwendungen im Bereich der robotischen Industrieproduktion, der Bildung sowie der Medizin und Pflege vorantreiben. CIMON wurde als Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR an Airbus vergeben und für den Einsatz im europäischen Columbus-Modul auf der ISS entwickelt. Als sprachgesteuerte Künstliche Intelligenz dient die Watson KI-Technologie aus der IBM Cloud. Die menschlichen Aspekte des Assistenzsystems wurden von Wissenschaftlern des Klinikums der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) mitentwickelt und betreut.

Marcus Wandt wird außerdem die Telerobotik-Experimentreihe „Surface Avatar“ unterstützen und von Bord der ISS aus mehrere Roboter auf der Erde kommandieren. Entwickelt werden Technologien zur Mensch-Roboter-Kollaboration, die wesentlich für Erkundungsmissionen zum Mond oder zum Mars sind. Das Projekt wird vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik geleitet und erfolgt in Zusammenarbeit mit der ESA.

Bone Health: Knochengesundheit im Weltraum
Knochenschwund an den unteren Extremitäten ist eine bekannte Folge des Lebens im Weltraum. Er beginnt sehr bald nach dem Verlassen der Erde. Astronautinnen und Astronauten verlieren pro Monat im Weltraum bis zu einem Prozent ihrer Knochenmasse. Dieser Verlust kann das Risiko von Knochenbrüchen und Verletzungen erhöhen. Unter Beteiligung des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin wird im Rahmen eines Experiments zur Knochengesundheit („Bone Health“) untersucht, wie sich die Knochendichte von Marcus Wandt nach seinem zweiwöchigen Aufenthalt im Weltraum verändert. Wird der Knochenschwund nach der Mission anhalten oder sich fortsetzen? Wie lange dauert es, bis sich seine Knochen nach der Rückkehr zur Erde wieder vollständig erholt haben? Bone Health könnte diese Fragen beantworten, die generellen Mechanismen des Knochenschwunds aufdecken und damit Patienten auf der Erde helfen, die an Osteoporose und Wirbelsäulenverletzungen leiden. An dem „Bone Health“-Experiment ist auch das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln beteiligt.

Cardio-Deconditioning: Wie geht es dem Herzkreislauf-System der Astronauten vor und nach dem Flug?
Mit dem ESA-Experiment „Cardio-Deconditioning“, das von einem internationalen Team aus Belgien, Deutschland und Italien geleitet wird, sollen die kardiovaskulären Veränderungen bei Astronauten mit Hilfe moderner kardialer Magnetresonanztomographie (MRT) festgestellt werden. Dabei werden vorhandene Daten aus Simulationen der Schwerelosigkeit mit Missionen in einer niedrigen Erdumlaufbahn und künftigen interplanetaren Missionen verglichen und so akute von chronischen Veränderungen unterschieden. Auf der Erde werden die Ergebnisse dieser Studie bei der Nachsorge von bettlägerigen Patienten sowie von Krebspatienten, die mit Strahlentherapie behandelt werden, hilfreich sein. Marcus Wandt ist der erste ESA-Astronaut, an dem dieses Experiment durchgeführt wird. Zum ersten Mal überhaupt weltweit findet bei der Messung mit Marcus Wandt ein Echtzeit-MRT bei einem Astronauten statt.

BRAIN-DTI: Wie passen sich Gehirne an Weltraumbedingungen an?
Aus der Sicht des Gehirns ist das Leben im Weltraum sehr anstrengend. Das Innenohr meldet dem Gehirn, dass der eigene Körper fällt, aber die Augen zeigen, dass sich nichts bewegt. Da sich die Flüssigkeit in den Kopf verlagert, interpretiert das Gehirn diesen zusätzlichen Druck normalerweise als Zeichen dafür, dass er auf dem Kopf steht – aber im Weltraum gibt es kein Oben oder Unten. Die innere Uhr könnte signalisieren, dass sie nach einem Arbeitstag auf der Internationalen Raumstation müde ist, aber Astronauten erleben alle 24 Stunden 16 Sonnenauf- und -untergänge.

Trotz all dieser widersprüchlichen Signale passt sich das Gehirn an, und innerhalb weniger Tage schweben die Astronauten durch ihr Zuhause im Weltraum, als wären sie dort geboren. Aber das Gehirn scheint auch von der Vergangenheit zu profitieren. Erfahrene Astronauten brauchen weniger Zeit, um sich an die Schwerelosigkeit zu gewöhnen als Neulinge, selbst wenn die Missionen Jahre auseinander liegen. Forscher der Universitäten Antwerpen, Lüttich und Leuven in Belgien haben die „Brain-DTI“-Studie entwickelt, an der auch die Ludwig-Maximilians-Universität München beteiligt ist. Sie wollen mehr darüber erfahren, wie sich die Gehirne von Astronauten an die Bedingungen des Weltraums anpassen.

PK-4: Plasmen in Schwerelosigkeit erforschen
Mit dem Plasmakristallexperiment PK-4 lassen sich Prozesse, die eigentlich auf atomarer Ebene ablaufen, für das menschliche Auge sichtbar machen. Plasma ist ein ionisiertes – also ein elektrisch leitendes – Gas. Wenn es zusätzlich Staubteilchen oder andere Mikropartikel enthält, werden diese aufgeladen und es entsteht ein „komplexes Plasma“. In der Schwerelosigkeit können sich die Teilchen frei ausbreiten und geordnete, dreidimensionale Kristallstrukturen bilden. Die Wissenschaftler gewinnen so grundlegende Erkenntnisse, die zu langfristigen Anwendungen in der Weltraumphysik, der Plasmaphysik und -technologie, der Fusionsforschung sowie bei technischen Flüssigkeiten führen sollen.

So werden Fortschritte in der Halbleiter- und Chiptechnologie, in der Entwicklung moderner Antriebe, Ventile und Stoßdämpfer sowie jüngst auch im medizinischen Bereich beim Abtöten multiresistenter Keime bei der Wundbehandlung und der Desinfektion möglich. Die Plasmaexperimente werden im Auftrag der Deutsche Raumfahrtagentur im DLR und der Europäischen Weltrauorganisation ESA durchgeführt. Wissenschaftlich beteiligt sind die Universitäten Gießen und Greifswald. Marcus Wandt wird während seiner Mission auf der ISS gemeinsam mit dem wissenschaftlichen Team auf dem Boden die 19. Experimentkampagne von PK-4 durchführen.

ANITA-2: Prima Klima oder dicke Luft auf der ISS?
In einer abgeschlossenen Umgebung wie im Inneren der Internationalen Raumstation, muss die Luftzusammensetzung überwacht werden, um die Gesundheit der „Bewohner“ sicherzustellen. Die Hauptbestandteile der Kabinenluft wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid werden bereits durch das Lebenserhaltungssystem der Raumstation überprüft. Das Analysing Interferometer for Ambient Air-2 (ANITA-2) kann jedoch bis zu 33 wichtige chemische Verunreinigungen nahezu in Echtzeit aufspüren. ANITA saugt im Betrieb alle sechs Minuten Umgebungsluft an und untersucht sie mit Hilfe von Infrarotsensoren. Denn jeder Stoff in der Luft kann einem bestimmten Lichtspektrum zugerechnet werden. Nach der Analyse, die nur wenige Minuten dauert, wird neue Luft angesaugt und überprüft. Auf diese Weise erhält man eine detaillierte Aussage darüber, wie sich die Luft in der Station zusammensetzt und wie sie sich über die Zeit verändert. ANITA-2 wurde bei der OHB System AG entwickelt und von dem deutschen ESA-Astronauten Matthias Maurer im Jahr 2021 in Betrieb genommen.

Wartungsarbeiten an Experimenten mit deutscher Beteiligung
Marcus Wandt wird während seiner Mission auch Wartungsarbeiten an Experimenten mit deutscher Beteiligung durchführen. So wird er unter anderem für das Experiment DOSIS 3D MINI die sogenannte DOSIS Main Box neu installieren. Das Experiment soll unser Verständnis der Strahlungsumgebung an Bord der ISS erweitern. Bereits seit 2012 führt das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin gemeinsam mit internationalen Partnern das Experiment im europäischen Columbus-Modul der ISS durch. Dabei wird dort die Verteilung der Strahlenbelastung mit passiven und aktiven Strahlungsdetektoren bestimmt und eine 3D-Dosiskarte der gesamten ISS erstellt.

Zudem wird Marcus Wandt vorbereitende Kalibrierungen in der Material Science Laboratory (MSL) Anlage vornehmen, damit nach seiner Mission dort weitere Experimentläufe stattfinden können. MSL ist ein Ofen, in dem Erstarrungsversuche mit metallischen Legierungen in Schwerelosigkeit zum technologischen Fortschritt in industriellen Gießprozessen von maßgeschneiderten, nachhaltigen Hightech-Materialien auf der Erde – beispielsweise von neuartigen und leichteren Flugzeugturbinenschaufeln und Batteriegehäusen – beitragen sollen. Dafür werden in unterschiedlichen ISS-Schmelzöfen im Material Science Laboratory (MSL) Proben aufgeschmolzen und wieder erstarrt. Denn unter Schwerelosigkeit gelingt das wegen verminderter Strömungen präziser als im Labor auf der Erde. An diesen Versuchen sind unter anderem das DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum, ACCESS Aachen e.V. sowie die Universität Kiel beteiligt. Für seinen Einsatz wurde Markus Wandt vorab an der Bodenanlage MSL EM (Engineering Model) im Institut für Materialphysik im Weltraum durch das MSL Operations Team des DLR- MUSC trainiert.

Gute Zusammenarbeit zwischen Deutschland und Schweden in der Raumfahrt
Deutschland und Schweden arbeiten in der Raumfahrt eng zusammen. Ein Beispiel ist hier die Deutsch-Schwedische Kooperation in den Studierendenprogrammen REXUS/BEXUS (Raketen-/Ballon-Experimente für Universitäts-Studenten), und TEXUS (Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit), die von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR gefördert und geleitet werden, sowie das DLR-MAPHEUS-Forschungsraketenprogramm mit material- und lebenswissenschaftlichen Experimenten. MAPHEUS (Materialphysikalische Experimente Unter Schwerelosigkeit) wird vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum, dem DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin und der MORABA der DLR-Einrichtung Raumflug und Astronautentraining betrieben und dient als Entwicklungs- und Technologietransfer-Plattform für Forschung unter Weltraumbedingungen. Die Studierenden aus Deutschland und Schweden starten ihre eigenen Experimente auf Höhenforschungsraketen und -ballonen vom Esrange Space Center des schwedischen Raumfahrtunternehmens SSC, das über die Startinfrastruktur im nordschwedischen Kiruna verfügt. Die nächsten TEXUS-Starts sollen Ende Januar 2024 stattfinden, direkt im Anschluss daran der Start von MAPHEUS-14 im Februar 2024.

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• Axiom-3 auf Crew-Dragon zur ISS

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München.

11. Oktober 2021 – Längere Aufenthalte im Weltraum lassen bei Raumfahrern nicht nur die Muskeln und Knochen schwinden, sondern wirken sich auch auf das Gehirn aus. Das hatten bildgebende Studie der vergangenen drei Jahre angedeutet. Unklar war aber bis jetzt, ob diese beobachteten Vorgänge plastisch oder schädlich sind. Die LMU-Mediziner Professor Peter zu Eulenburg und Professor Alexander Choukér haben nun in Kooperation mit Wissenschaftlern der Universität Göteborg (Schweden) und russischen Kollegen erstmals bei Astronauten anhand von hochmodernen Bluttests die strukturelle Integrität des Gehirns nach ihrer Rückkehr untersucht. In ihrer Pilotstudie konnten die Forscher nachweisen, dass mehrere Kennproteine für Alterungsprozesse und Verletzungen des Gehirns direkt nach Rückkehr aus dem All deutlich ansteigen.

Die Forscher untersuchten Blutproben von fünf Kosmonauten, die im Mittel 169 Tage an Bord der internationalen Raumstation ISS verbracht hatten. Bei allen Raumfahrern entnahmen sie vor dem Start der Mission als auch am Tag nach der Rückkehr Blut, zusätzlich auch noch eine und drei Wochen nach Landung auf der Erde. „Damit sind wir die ersten, die engmaschig über drei Wochen unmittelbar nach einem Langzeitaufenthalt im Blut sehr detailliert den Zustand des Gehirns beurteilen können“, betont zu Eulenburg.

Blutproben zeigen Anstieg hirneigener Proteine
Die Blutproben zeigen im Vergleich zur Untersuchung vor dem Start einen erheblichen Anstieg mehrerer hirneigener Proteine vor allem in der ersten Woche nach der Rückkehr. Die beobachteten Proteine sprechen hier für eine Verletzung der langen Nervenfasern in der weißen Substanz und dem Stützgewebe des Gehirns, der Glia. Der Anstieg der Blutwerte ist für zwei Varianten des Amyloid-Proteins, einem Alterungsmarker, sogar noch nach drei Wochen substantiell nachweisbar und korreliert in seiner Höhe mit der Dauer seit dem Start ins All. Für das Tau-Protein als Repräsentant der grauen Substanz fand sich erst drei Wochen nach Rückkehr zur Erde ein deutlicher Abfall der Werte im Vergleich zur Ausgangsuntersuchung. Da das Verhalten sehr verschiedener Proteine sehr ähnlich war, gehen die Forscher von einer umfassenden Gesamtreaktion des gesamten Gehirns nach Langzeitaufenthalt in der Schwerelosigkeit aus und nicht nur von der Veränderung einer Gewebsart alleine.

„Insgesamt deuten unsere Ergebnisse auf eine leichtgradige, aber anhaltende Hirnverletzung und einen beschleunigten Alterungsprozess des Gehirns bei Rückkehr zur Erde hin“, sagt zu Eulenburg. „Es scheinen dabei alle relevanten Gewebsarten des Gehirns betroffen zu sein.“ Ein klinischer Hinweis für neurologisch relevante Folgen eines Langzeitaufenthalts im All sind bisher lediglich Veränderungen des Sehvermögens bei einigen Raumfahrern.

Gestörter Blutabfluss im Kopfbereich
Ursache für den Anstieg der Hirnproteine ist möglicherweise ein gestörter Abfluss des venösen Bluts aus dem Kopf in Schwerelosigkeit, der im Lauf der Zeit zu einem Druckanstieg im Nervenwasser führt. Hier gibt es Hinweise auf eine Korrelation mit der Aufenthaltsdauer im All.

„Um die neurologischen Risiken bei Langzeitmissionen zu minimieren und die allgemeine klinische Bedeutung der Befunde zu bestimmen sind umfassendere Studien mit vorbeugenden Maßnahmen gegen den Druckanstieg im Kopf unbedingt notwendig, bevor Raumfahrer eine Reise zum Mars antreten“, so Peter zu Eulenburg.

Orginalveröffentlichung:
Changes in Blood Biomarkers of Brain Injury and Degeneration Following Long-Duration Spaceflight. Peter zu Eulenburg et al. JAMA Neurology 2021.

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