Quelle: Universität Bremen Lucie-Patrizia Arndt 5. September 2024.

5. September 2024 – Verseux untersucht in seinem Projekt, wie Cyanobakterien genutzt werden können, um Langzeit-Marsmissionen nachhaltig zu gestalten, indem sie die Crew dauerhaft mit lebensnotwendigen Verbrauchsgütern versorgen. Denn selbst, wenn wir Menschen uns auf das absolut Notwendige beschränken, brauchen wir doch einiges zum Überleben – Sauerstoff und Nahrung zum Beispiel.

Halten wir uns an entlegenen Orten auf der Erde auf, dann bringen wir ausreichend Vorräte mit; im Weltraum werden die Astronaut:innen an Bord der Internationale Raumstation ISS regelmäßig mit Hilfe von Frachtkapseln versorgt. Doch wenn wir zum Mars wollen, sind weder große Vorräte noch ein kontinuierlicher Nachschub möglich. Der Transportweg ist zu riskant und die Kosten zu hoch. Die Lösung liegt somit darin, aus vor Ort vorhandenen Rohstoffen lebensnotwenige Verbrauchsgüter herzustellen.

Dr. Cyprien Verseux hat bereits nachgewiesen, dass manche Cyanobakterien in der Lage sind, aus den natürlichen Ressourcen des Mars Sauerstoff und Biomasse zu produzieren. Erste Forschungsergebnisse erzielte er im Laboratory of Applied Space Microbiology (LASM), welches er am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen leitet.

Die große Frage ist nun: Wie kann dies auf effiziente Art und Weise gelingen? Dazu ist ein besseres Verständnis davon notwendig, wie Cyanobakterien auf zellulärer und molekularer Ebene die Mars-Ressourcen verstoffwechseln. Unter anderem soll dies durch Laborexperimente mit einer eigens entwickelten Apparatur untersucht werden, in der wenig mehr als die Rohstoffe aus dem Marsboden und der Marsatmosphäre verwendet werden. Zusätzlich zur Laborarbeit sollen mathematische Modelle entwickelt werden, die die Wachstumsraten, Produktivität und Effizienz der Bakterienkulturen vorhersagen.

Das Starting Grant des European Research Council eröffnet Cyprien Verseux und seinem Forschungsteam neue Möglichkeiten – insbesondere durch die Einrichtung von zwei Promotionsstellen. „Mit unserem Projekt ,MarCyano‘ möchten wir zwei Ziele erreichen. Zum einen wollen wir grundlegende Erkenntnisse darüber erhalten, wie die Cyanobakterien auf Umgebungsbedingungen reagieren, die für sie ,fremd‘ sind, wenn sie beispielsweise einer Atmosphäre ausgesetzt sind, die auf der Erde nicht existiert. Zum anderen sollen Lösungen entwickelt werden, die dazu beitragen, die Erkundung des Mars durch den Menschen nachhaltig zu gestalten“, erklärt der Wissenschaftler.

Verseux und sein Team befassen sich jedoch nicht nur mit Nachhaltigkeitskonzepten bei Langzeit-Marsmissionen. Ihre Erkenntnisse und entwickelten Systeme werden sie auch in neue Denkansätze und Technologien übersetzen, die einem nachhaltigeren Umgang mit natürlich vorhandenen, aber zunehmend knapper werdenden Ressourcen auf der Erde dienen.

Verseux ist Mitglied der Initiative „Humans on Mars“ und am Antrag für das Exzellencluster „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“ der Universität Bremen beteiligt. Seine Expertise fließt in das interdisziplinäre wissenschaftliche Team ein, dessen Forschung nun dazu beitragen könnte, der Universität Bremen erneut den Exzellenzstatus zu sichern.

Über Cyprien Verseux:
Der französische Biologe Dr. Cyprien Verseux forscht seit 2019 am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen. Dort baute er das „Laboratory of Applied Space Microbiology“ (LASM) auf, dessen Leiter er heute ist. Zuvor promovierte er mit dem Schwerpunkt Astrobiologie an der Universität Rom II, Italien, und am NASA Ames Research Center in Kalifornien, USA.

Er selbst verfügt über eigene Erfahrungen mit Explorationsmissionen in abgelegenen Gebieten: 2018 leitete er die französisch-italienische Concordia-Forschungsstation in der Antarktis. Dort verbrachte er ein Jahr, einschließlich der Wintermonate, in denen die Temperaturen auf bis zu minus 80 °C sinken können und monatelange Dunkelheit herrscht. 2015 nahm er am Marssimulationsprojekt HI-SEAS der NASA teil und lebte zusammen mit fünf Wissenschaftler:innen für ein Jahr isoliert in einer „Marsstation“ an den kargen Hängen des Mauna Kea Vulkans auf Hawaii, USA.

Seine wissenschaftliche Leistung wurde 2019 bereits mit einem Forschungsstipendium der renommierten Alexander von Humboldt-Stiftung ausgezeichnet

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• Ehrungen

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Quelle: ZARM 16. Juli 2024.

16. Juli 2024 – „Ein Brand an Bord eines Raumfahrzeugs ist eines der gefährlichsten Szenarien in der Raumfahrt“, erklärt Dr. Florian Meyer, Leiter der Forschungsgruppe „Verbrennungstechnologie“ am ZARM. „Es gibt kaum Möglichkeiten, sich in Sicherheit zu bringen oder von Bord zu fliehen. Daher ist es entscheidend, das Verhalten von Bränden unter diesen speziellen Bedingungen zu verstehen.“

Bereits seit 2016 führt das ZARM-Forschungsteam Experimente zur Ausbreitung von Bränden in der Schwerelosigkeit durch. Die Umgebungsbedingungen entsprechen in etwa denen auf der ISS – mit einem Sauerstoffanteil in der Atemluft und einem Umgebungsdruck ähnlich wie auf der Erde, sowie einer erzwungenen Luftzirkulation. Diese früheren Experimente haben gezeigt, dass sich Flammen in der Schwerelosigkeit völlig anders verhalten als auf der Erde. Ein Feuer brennt mit kleinerer Flamme und breitet sich langsamer aus, wodurch es lange Zeit unbemerkt bleiben kann. Es brennt allerdings heißer und kann dadurch auch Materialien entzünden, die auf der Erde prinzipiell nicht brennbar sind. Zudem können aufgrund von unvollständiger Verbrennung mehr giftige Gase entstehen.

Sauerstoff und Luftströmung als Brandbeschleuniger
Für zukünftige Raumfahrtmissionen plant man derzeit mit veränderten atmosphärischen Rahmenbedingungen. Die Crew soll einem niedrigeren Druck ausgesetzt werden. Dies bietet zwei entscheidende Vorteile: Die Astronaut:innen können sich schneller auf einen Außeneinsatz vorbereiten und das Raumfahrzeug kann leichter, also mit weniger Masse gebaut werden, was Treibstoff spart. Der Nachteil: Bei niedrigerem Druck benötigt die Crew einen höheren Sauerstoffanteil in der Atemluft – und das kann im Brandfall gefährliche Auswirkungen haben. Dass auch die Geschwindigkeit der Luftströmung einen starken Einfluss auf die Ausbreitung von Feuer hat, kennen wir aus verschiedensten Alltagssituationen, vom Anzünden der Grillkohle bis zur Bekämpfung von Waldbränden.

Die aktuelle Experimentreihe, die der Studie zugrunde liegt, wurde unter Schwerelosigkeitsbedingungen im Fallturm Bremen durchgeführt. Florian Meyer und sein Team haben die Flammenausbreitung nach dem Anzünden von Plexiglasfolien beobachtet und untersucht, wie das Feuer reagiert, wenn man jeweils einen der drei Aspekte Luftdruck, Sauerstoffanteil und Strömungsgeschwindigkeit stufenweise verändert. Die Ergebnisse der Experimentreihe sind eindeutig: Obwohl der niedrigere Druck abmildernd wirkt, überwiegen die brandbeschleunigenden Effekte des erhöhten Sauerstoffgehalts der Luft. Eine Anhebung des Sauerstoffanteils von 21 Prozent (wie auf der ISS) auf die geplanten 35 Prozent bei zukünftigen Raumfahrtmissionen führt dazu, dass sich ein Feuer dreimal schneller ausbreitet. Das bedeutet einen enormen Anstieg des Brandrisikos.

Florian Meyer betont: „Unsere Ergebnisse zeigen kritische Faktoren auf, die bei der Entwicklung von Brandschutzprotokollen für astronautische Raumfahrtmissionen berücksichtigt werden müssen. Wenn wir verstehen, wie sich Flammen unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen ausbreiten, können wir das Brandrisiko mindern und die Sicherheit der Astronaut verbessern.“

Publikation:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1540748924001664

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• Brandschutz und Brandereignisse in der Raumfahrt

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Quelle: Universitätsklinikum Tübingen 11. Juni 2024.

11. Juni 2024 – Bis zum Mars: Das ist das erklärte Ziel der Raumfahrt. Um die Gesundheit und Sicherheit der Astronautinnen und Astronauten sicher zu stellen, wollen Forschende verstehen, wie die Raumfahrt den menschlichen Körper beeinflusst. Eine von ihnen ist Daniela Bezdan aus Tübingen. Sie war an Studien von einer der größten Datensammlungen im Bereich der Luft- und Raumfahrtmedizin beteiligt.

„Das ist ein kleiner Schritt für einen Menschen, ein riesiger Sprung für die Menschheit“ – Fast jeder kennt das Zitat des wohl berühmtesten Astronauten, das während der ersten erfolgreichen bemannten Mondmission entstand. Die nun veröffentlichten Studienergebnisse beinhalten unter anderem Daten von Astronautinnen und Astronauten, die bis zu einem Jahr auf der Internationalen Raumstation ISS verbrachten. Sie sollen den nächsten Schritt in Richtung mehrjähriger Missionen, insbesondere auf den Mars, ebnen. Bemannte Marsmissionen sind das erklärte Ziel von vielen Weltraumbehörden, wie der NASA oder auch von kommerziellen Raumfahrtunternehmen wie SpaceX.

Weltall als menschenfeindliche Umgebung
Die Raumfahrt ist für den menschlichen Körper eine erhebliche gesundheitliche Herausforderung: Unter anderem nimmt die Muskel- und Knochendichte signifikant ab und das Immunsystem verändert sich. Die gesundheitlichen Risiken besser zu verstehen und möglicherweise Gegenmaßnahmen zu entwickeln, ist deshalb unerlässlich. Das Forschungsgebiet „Space Omics“ konzentriert sich beispielsweise darauf, wie der Weltraum die Genaktivität (DNA und RNA) und Zellfunktionen beeinflusst. Diese Fortschritte könnten auch auf der Erde von erheblichem Nutzen sein, etwa in der Krebs- und Alternsforschung.

Tübinger Beitrag im Bereich Luft- und Raumfahrtmedizin
Ein Paket von über 40 Publikationen gewährt detaillierte Einblicke in das „Space Omics“ Forschungsgebiet. Als Teil eines internationalen Forschungsteams war Daniela Bezdan an zwei Studien beteiligt. Sie arbeitet als Wissenschaftlerin im Tübinger Institut für Medizinische Genetik und Angewandte Genomik unter der Leitung von Prof. Dr. Olaf Rieß. „Da die Menschheit in Zukunft immer tiefer in den Weltraum vordringen wird, ist unsere Forschung von entscheidender Bedeutung, um die Raumfahrt noch sicherer zu machen. Unsere Arbeit trägt dazu bei, eine personalisierte Gesundheitsversorgung für die Raumfahrt zu schaffen und bietet uns gleichzeitig auf der Erde neue Behandlungsoptionen“, erläutert Bezdan.

Forschende von verschiedenen internationalen Universitäten, unter der Leitung des Erstautors Matthew MacKay, konnten in der ersten Studie Gene identifizieren, die genetisch verändert werden könnten, um Menschen besser an die lebensfeindliche Umgebung des Weltalls anzupassen. Dies könnte ihnen letztendlich helfen, auf langen Weltraummissionen robuster zu sein.

In einer zweiten Studie hat sich Daniela Bezdan unter der Leitung von Lindsay Rutter von der Universität Glasgow und Stefania Giacomello von der Königlich Technischen Hochschule Stockholm mit dem Problem befasst, wie die Gesundheit von Astronautinnen und Astronauten besser untersucht und diagnostiziert werden kann. Orientiert haben sich die Forschenden an der „Human Cell Atlas Initiative“, bei der sich Forschende weltweit zusammengetan haben, um jede einzelne Zelle des menschlichen Körpers zu beschreiben. Ziel ist es, die Vorgänge im gesunden Körper zu verstehen, um auf dieser Basis Krankheiten besser diagnostizieren, behandeln und vorbeugen zu können. So wie die personalisierte Gesundheitsversorgung auf der Erde genetische Informationen und Lebensstilfaktoren nutzt, könnten ähnliche Methoden eine bessere Gesundheitsversorgung für Astronautinnen und Astronauten auf langen Missionen ermöglichen.

Zukunft der Raumfahrtmedizin
Mit den vorliegenden Daten des umfassenden Publikationspaketes erhoffen sich die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen die gesundheitlichen Risiken für zukünftige Weltraummissionen zu minimieren. Christopher E. Mason, Professor für Genomics am Weill Cornell Weill Medical College der Cornell University und einer der führenden Wissenschaftler innerhalb des Publikationspaketes, ist sich sicher: „Die internationale Kollaboration ist ein Meilenstein in unserem Bestreben, die Gesundheit und Sicherheit von Astronauten zu gewährleisten. Mithilfe dieser umfangreichen Datensätze können wir personalisierte Empfehlungen entwickeln, die Raumfahrern helfen, auch unter den widrigsten Bedingungen erfolgreich und vor allen Dingen gesund ihre Mission zu erfüllen.“

Neben ihrer wissenschaftlichen Tätigkeit in der Tübinger Genetik repräsentiert Daniela Bezdan das Universitätsklinikum und Deutschland als eine von drei Koordinatorinnen und Koordinatoren verschiedener Organisationen in der Weltraumforschung: NASA Genelabs Microbiome AWG, ESA-funded Space Omics Topical Team und bei ISSOP – International Standards of Space Omics Procedure zusammen mit Mitgliedern aus NASA (USA), JAXA (JAPAN) und ESA (EUROPA).

Nature Übersichtsartikel
https://www.nature.com/collections/ebdbcahdgc

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: ZARM 17. April 2024.

17. April 2024 – Mehr als ein halbes Jahrhundert nach den ersten Schritten der Menschheit auf dem Mond treten wir in eine neue Phase von Weltraummissionen ein, einschließlich der Rückkehr zum Mond und der Reise zum Mars. Um dies zu erreichen, ist ein Umdenken bei den Antriebssystemen erforderlich. Unter Beteiligung des ZARM ist ein Übersichtsartikel in der Fachzeitschrift Nature Portfolio Journals „Microgravity“ erschienen, in der kryogene Flüssigkeiten, insbesondere flüssiger Wasserstoff und Methan in Verbindung mit flüssigem Sauerstoff, als die effektivsten und vielversprechendsten Treibstoffe für diese Raumfahrtmissionen angesehen werden. Bisher machen die Treibstoffe noch den größten Teil der Transportmasse eines Raumfahrzeugs aus, sodass die Neubetankung im Weltraum von entscheidender Bedeutung ist, um die Reichweite von Weltraummissionen zu verlängern. Die Arbeit ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Forschenden in einem Topical Team der Europäischen Weltraumagentur (ESA) und widmet sich den physikalischen Grundlagen der Handhabung von Treibstoffen. Sie wird als Basis für zukünftige Untersuchungen und Experimente dienen, wie z.B. einem Experiment mit flüssigem Wasserstoff auf einer Forschungsrakete.

Die kryogene Herausforderung
Kryogene Treibstoffe wie Methan oder Wasserstoff werden bei extrem niedrigen Temperaturen flüssig. Die überaus komplizierte Handhabung dieser Medien im Weltraum stellt eine erhebliche wissenschaftliche und technologische Hürde dar. Der Artikel befasst sich mit den wesentlichen Voraussetzungen für die Handhabung kryogener Treibstoffe, einschließlich Konditionierung, Lagerung, Kontrolle und Transfer. Die Arbeit zielt außerdem darauf ab, Lücken in unserem physikalischen Verständnis aufzuzeigen, die geschlossen werden müssen, um zukünftige Explorationsmissionen zu ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist interdisziplinäre Forschung auf den Gebieten der Thermodynamik, Fluiddynamik und Strukturmechanik erforderlich.

Sprungbrett in den Weltraum
Für die Verlängerung der Reichweite und Dauer von Weltraummissionen ist die Betankung von Raumfahrzeugen außerhalb unserer Umlaufbahn essentiell. ZARM Direktor Marc Avila ist Co-Autor des Artikels und unterstreicht die Relevanz von Tankstellen im Weltall: „Die Möglichkeit Raumfahrzeuge aufzutanken, nachdem sie das Schwerfeld der Erde überwunden haben und auf der Strecke bereits den größten Teil ihres Treibstoffes verbraucht haben, ist eine notwendige Voraussetzung, um den Mars zu erreichen. Um aber tatsächlich eine Weltraumtankstelle in die Realität umzusetzen, brauchen wir Strategien, die wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt vereinen.“

Artikel in Microgravity:
www.nature.com/articles/s41526-024-00377-5
pdf: https://www.nature.com/articles/s41526-024-00377-5.pdf

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• Fallturm Bremen (ZARM)

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Quellen: TASS, RIA Nowosti.

Moskau, 7. November 2023 – Russland macht mit einem hochtrabenden Vorhaben von sich reden. Die geplante nationale Orbitalstation ROS werde für eine Lebensdauer von 50 Jahren ausgelegt, teilte der Generalkonstrukteur für bemannte Komplexe und Systeme der RKK Energija, Wladimir Solowjow, am Dienstag auf einer Konferenz zur Weltraumbiologie und Luftfahrtmedizin in Moskau mit. Denn so viel Zeit sei erforderlich, um die Technologien für den Flug zu anderen Planeten des Sonnensystems, in erster Linie zum Mars, zu entwickeln, fügte er zur Begründung hinzu.

Solowjow forderte in diesem Zusammenhang den Direktor des Instituts für Medizinisch-Biologische Probleme (IMBP) der Russischen Wissenschaftsakademie (RAN), Oleg Orlow, auf, die dafür erforderlichen Kosmonauten auszubilden. Diese würden auf jeden Fall zum Mars fliegen, versicherte er. Der Erstflug mit dem neuen bemannten Raumschiff, dessen Name noch nicht endgültig feststeht, zur ROS sei für 2028-29 vorgesehen. Nach der bisherigen Planung wird das erste Modul der Station 2027 gestartet.

Gerhard Kowalski

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• ROS – neue Russische Orbital-Station

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Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 14. November 2022.

14. November 2022 – Ihre Ergebnisse haben die Forschungspartner aus Deutschland, Japan, Italien, UK und USA vor Kurzem in „Scientific Reports“, einer Zeitschrift der Nature Publishing Group, veröffentlicht.

Torpor nennen Forschende den Zustand, wie ihn auch Winterschlaf haltende Tiere eingehen. In diesem Zustand werden lebenserhaltende Funktionen eines Organismus zurückgefahren: Die Körpertemperatur wird abgesenkt, der Stoffwechsel reduziert und Körperfunktionen wie Atem- und Herzfrequenz oder Sauerstoffaufnahme werden deutlich verlangsamt. Auch auf molekularer Ebene werden die Genaktivität und die Proteinbiosynthese auf ein langsameres Tempo reduziert. In der nun veröffentlichten Studie zum Thema synthetischer Torpor, also eine Art künstlich erzeugter Winterschlaf, und Schutz vor ionisierender Strahlung haben die Wissenschaftler*innen biologische Effekte nachgewiesen, die darauf hindeuten, dass synthetischer Torpor die Resistenz gegenüber Strahlung erhöht. Ein Nachweis, der langfristig für Astronauten sehr nützlich sein könnte.

Denn kosmische Strahlung gilt als eines der größten Gesundheitsrisiken für die Erforschung des Weltraums durch den Menschen. Vor allem bei zukünftigen Langzeitmissionen stellen schädliche Auswirkungen der Weltraumstrahlung eine große Herausforderung dar. Der größte Teil der Strahlungsdosis, die dabei von den Besatzungen aufgenommen wird, wird durch galaktische kosmische Strahlung (GCR) erzeugt, das heißt durch hochenergetische geladene Teilchen, einschließlich dicht ionisierender schwerer Ionen, die in fernen Galaxien entstehen. Die Energie dieser Teilchen ist so hoch, dass die Abschirmung des Raumfahrzeugs sie nicht aufhalten kann und zu einer Strahlenbelastung führt, die über einen sehr langen Zeitraum mehr als 200 Mal höher ist als die Hintergrundstrahlung auf der Erde. Deshalb wird für künftige Missionen nach geeigneten Strahlungsschutzmaßnahmen geforscht.

„Die Zusammenhänge zwischen Torpor und Strahlenresistenz stellen einen hoch innovativen Forschungsansatz dar. Unsere aktuellen Ergebnisse lassen darauf schließen, dass synthetische Torpor ein vielversprechendes Instrument zur Verbesserung des Strahlenschutzes im lebenden Organismus während einer langfristigen Weltraummission ist. Er könnte somit eine effektive Strategie zum Schutz des Menschen bei der Erforschung des Sonnensystems darstellen“, fasst der Leiter der GSI-Abteilung Biophysik, Professor Marco Durante, zusammen.

Zwar ist bereits bekannt, dass Tiere, die natürlichen Winterschlaf halten, in diesem Zustand eine Strahlenresistenz erwerben. Doch die aktuelle Studie ist deshalb so bedeutsam, weil nun zum ersten Mal bei nicht Winterschlaf haltenden Tieren (Ratten) ein biologischer Zustand, der dem Winterschlaf ähnlich ist, herbeigeführt wurde und eine Strahlenresistenz gegenüber hochenergetischen Schwerionen nachgewiesen werden konnte. In Experimenten am japanischen Gunma University Heavy-ion Medical Center wurden beschleunigte Kohlenstoff-Ionen zur Simulation der Strahlung im Weltraum verwendet. Die anderen In-Vitro-Zellexperimente wurden auf dem GSI/FAIR-Campus in Darmstadt durchgeführt und waren Teil der Experimentierzeit FAIR-Phase 0.

Die beiden Hauptergebnisse des Forschungsteams nach Bestrahlung und Induzierens eines synthetischen Torpors belegten die Annahmen: Synthetischer Winterschlaf kann eine schützende Wirkung vor einer eigentlich tödlichen Dosis an Kohlenstoff-Ionen haben. Synthetischer Winterschlaf reduziert außerdem die Gewebeschäden bei einer Ganzkörperbestrahlung.

Außerdem konnten die Wissenschaftler*innen von GSI bei ihren Untersuchungen an Gewebezellen von Ratten den zugrundeliegenden Mechanismus näher charakterisieren und zeigen, dass eine geringere Sauerstoffkonzentration in den Geweben (Hypoxie) und ein reduzierter Stoffwechsel bei niedriger Temperatur (Hypothermie) zwei wichtige Faktoren bei der Verhinderung von Zellschäden sein können. Die immunhistologischen Analysen deuteten darauf hin, dass der synthetische Torpor das Gewebe vor energetischer Ionenstrahlung schont. Zudem könnten sich Veränderungen im Stoffwechsel bei niedrigen Temperaturen auch auf die DNA-Reparatur auswirken.

Noch ist viel Forschung nötig, um die strahlenschützende Wirkung des synthetischen Torpors in Organen zu untersuchen und besser zu verstehen. Und noch ist es technisch nicht möglich, Menschen auf sichere und kontrollierte Weise in einen Winterschlaf zu versetzen. Doch die Forschung schreitet voran. Erst vor Kurzem waren die neuronalen Bahnen, die den Torpor steuern, enträtselt worden. Nun fügt die aktuelle Veröffentlichung einen weiteren wichtigen Baustein hinzu.

Der Wissenschaftliche Geschäftsführer von GSI und FAIR, Professor Paolo Giubellino, unterstreicht, dass das derzeit bei GSI entstehende internationale Beschleunigerzentrum FAIR einzigartige Möglichkeiten für Forschung im Bereich der kosmischen Strahlung bieten wird. „Bereits jetzt ist GSI in der Lage, Strahlen schwerer Kerne zu produzieren, wie sie in der kosmischen Strahlung vorkommen. An FAIR werden Experimente mit einem viel größeren Spektrum an Teilchenenergien und -intensitäten möglich sein. Dies wird es Forschenden ermöglichen, die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf den Menschen und auf die technischen Instrumente zu untersuchen, die für die Ermöglichung menschlicher Marsmissionen von grundlegender Bedeutung sind. Ich freue mich sehr, dass die Europäische Weltraumorganisation ESA seit vielen Jahren mit FAIR zusammenarbeitet, um diesen Forschungsbereich voranzutreiben.“

Originalpublikation:
https://www.nature.com/articles/s41598-022-20382-6

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• Kosmische Strahlung

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Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 21. Juli 2022.

21. Juli 2022 – Angepasste Trainingsprogramme in Verbindung mit medikamentöser Unterstützung könnten Astronautinnen und Astronauten auf künftigen Missionen besser schützen. Ihre Erkenntnisse, die auch für die Behandlung rheumatologischer Erkrankungen im klinischen Alltag genutzt werden sollen, haben die Forschenden im renommierten Wissenschaftsjournal Nature Scientific Reports veröffentlicht.

Fliegt der Mensch eines Tages zum Mars? Eine solche Mission wird seit Jahrzehnten diskutiert – und sie ist nicht nur abhängig von den technischen Voraussetzungen. „Wenn Menschen drei Jahre ununterbrochen im Weltall unterwegs sind, müssen wir auch die gesundheitlichen Belastungen im Blick haben“, sagt Dr. Anna-Maria Liphardt. „Das gilt bereits für heutige Flüge, bei denen Astronautinnen und Astronauten meist nicht länger als sechs Monate der Schwerelosigkeit ausgesetzt sind.“

Nach Flug: Knochen bis zu zehn Jahre gealtert
Liphardt ist Sportwissenschaftlerin, hat am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und an der Deutschen Sporthochschule Köln promoviert und erforscht am Universitätsklinikum Erlangen die Auswirkungen rheumatisch-entzündlicher Erkrankungen auf unser Skelett. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Deutschland, Kanada und den USA hat sie in einer Langzeitstudie untersucht, wie sich die Knochenstruktur im Weltall verändert und wie sie sich auf der Erde wieder erholt. 14 Männer und drei Frauen wurden vor ihrem Start ins Weltall sowie sechs und zwölf Monate nach ihrer Rückkehr gecheckt: die Knochendichte und Stärke von Tibea und Radius, also des Schienbeins und der Speiche, wurden ebenso bestimmt wie die trabekuläre Mikrostruktur im Knocheninneren. Anhand von Biomarkern in Blut und Urin wurde außerdem der Knochenumsatz gemessen.

Die Ergebnisse sind besorgniserregend: Selbst zwölf Monate nach dem Flug hatten sich neun von 17 Astronauten nicht vollständig erholt und zeigten eine um bis zu zwei Prozent reduzierte Knochenstärke und -mineraldichte. „Das klingt nicht spektakulär, aber es entspricht einem altersbedingten Knochenverlust von mindestens einem Jahrzehnt“, erklärt Anna-Maria Liphardt. „Die Konsequenz ist, dass die Betroffenen mit deutlich früher beginnender Osteoporose und Anfälligkeit für Brüche rechnen müssen.“ Im Unterschied zur Alterung auf der Erde ist bei den Astronautinnen und Astronauten weniger die Knochenhülle, sondern vielmehr die innere Knochenstruktur betroffen. Einige der untersuchten Probandinnen und Probanden wiesen bereits irreparable Schädigungen der stäbchenförmigen Trabekel auf. Liphardt: „Wir konnten zeigen, dass die Regeneration umso schwieriger ist, je länger die Astronautinnen und Astronauten im Weltall waren.“

Training und Medikation müssen angepasst werden
Größere Regenerationsprobleme hatten auch jene Personen, bei denen vor dem Flug ein höherer Knochenumsatz festgestellt wurde. „Knochenumsatz bedeutet, dass Zellen abgebaut und wieder neu gebildet werden“, erklärt Liphardt. „Menschen mit höherer körperlicher Aktivität haben einen höheren Knochenumsatz – die Schwierigkeit besteht darin, diese Aktivität während der Weltraummission aufrecht zu erhalten.“ Zwar gebe es auf der ISS verschiedene Angebote für sportliche Betätigung, vom Laufband über das Fahrradergometer bis hin zu Kraftübungen wie dem Kreuzheben. Entscheidend sei jedoch, das Trainingsprogramm während des Fluges besser an die individuellen Bedürfnisse anzupassen. Liphardt: „Es ist eine besondere Herausforderung, neue Geräte zu entwickeln, die in der Schwerelosigkeit funktionieren und wenig Platz beanspruchen.“

Profitieren könnten Astronautinnen und Astronauten auch von Medikamenten, wenn sie zusätzlich zur Bewegung während des Fluges eingenommen werden. Dazu zählen beispielsweise Bisphosphonate, die bereits erfolgreich zur Behandlung und Vorbeugung von Osteoporose zum Einsatz kommen, weil sie den Knochenabbau hemmen. „Bisphosphonate werden von der NASA bereits eingesetzt, allerdings weiß man noch zu wenig darüber, wie sie in der Mikrogravitation genau wirken“, erklärt Liphardt. „Wir empfehlen, die Kombination aus medikamentöser Therapie und körperlichem Training weiter systematisch zu untersuchen.“

Erkenntnisse für medizinischen Alltag
Mit ihrer Studie liefern die Forschenden nicht nur Erkenntnisse für künftige Weltraummissionen. Muskel- und Knochenschwund infolge von Bewegungsmangel sind auch ein zentrales Problem bei chronischen Erkrankungen auf der Erde. „In der Rheumatologie ist nicht immer klar, welche Schäden durch die Entzündung und welche durch Immobilität verursacht werden“, sagt Liphardt. „Unsere Studie könnte deshalb auch den Grundstein für neue oder angepasste Therapien legen.“

Hilfreich wird dabei auch die neue Generation hochauflösender peripherer quantitativer Computertomographen (HR-pQCT) sein, die bei der Astronautenstudie zum Einsatz kam. Die Geräte sind in der Lage, die innere Knochenstruktur in hoher Auflösung direkt abzubilden. „Bei älteren Geräten wurde ein Algorithmus verwendet, um einzelne Parameter der Mikrostruktur aus dem erzeugten Bildmaterial zu berechnen“, erklärt Liphardt. „Dabei kam es zu ungenauen Ergebnissen, vor allem bei trabekulären Knochenveränderungen.“ Seit einigen Monaten verfügt nun auch die Medizinische Klinik 3 des Universitätsklinikum Erlangen über ein solches HR-pQCT-Gerät der neuesten Generation – profitieren werden davon jedoch keine Astronauten, sondern Patientinnen und Patienten mit Erkrankungen des Muskel- und Skelettsystems.

Publikation
Leigh Gabel, Anna-Maria Liphardt, Paul A. Hulme, Martina Heer, Sara R. Zwart, Jean D. Sibonga, Scott M. Smith & Steven K. Boyd: Incomplete recovery of bone strength and trabecular microarchitecture at the distal tibia 1 year after return from long duration spaceflight.
https://www.nature.com/articles/s41598-022-13461-1
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-022-13461-1.pdf

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: Universität Bremen Kai Uwe Bohn 5. Juli 2022.

5. Juli 2022 – Am 8. Juli 2022 startet die groß angelegte Initiative „Humans on Mars – Pathways toward a long-term sustainable exploration and settlement of Mars“ der Universität Bremen. Rund 60 Forscherinnen und Forscher aus acht Fachbereichen gehen gemeinsam der Frage nach, wie Konzepte für eine langfristige, nachhaltige Erkundung und Besiedelung des Mars durch den Menschen aussehen können.

Dabei geht es nicht um die technologische Machbarkeit – etwa die Konstruktion eines geeigneten Raumfahrzeugs für den langen Flug dorthin. Im Mittelpunkt stehen vielmehr der Mensch und die komplexen Herausforderungen, denen er sich vor Ort stellen muss. Zentral ist ebenso die Frage, welche Auswirkungen daraus resultieren – für die unberührte Umgebung des Mars und nicht zuletzt für unseren Umgang mit der Erde.

Der Stellenwert der Initiative:
„Die aktuellen Bestrebungen weltweit zielen unaufhaltbar darauf ab, Menschen in absehbarer Zukunft zum Mars zu fliegen. Wir wollen mit unserer Forschung Wege aufzeigen, wie eine dauerhafte Präsenz des Menschen auf dem Mars einen langfristigen Nutzen für die Menschheit erbringen und zugleich mit Umsicht und Rücksicht auf den roten Planeten erfolgen kann“, erklärt Professor Marc Avila, Sprecher der Initiative „Humans on Mars“ und Direktor des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen.

Die Bremer Initiative unterscheidet sich von den primären Zielsetzungen der Raumfahrtagenturen und Privatunternehmen, die ebenfalls an der Umsetzung von Marsmissionen arbeiten. Häufig liegt dort der Fokus allein auf der Technologie und dem Überleben der Astronautinnen und Astronauten auf dem Mars – was einen immensen Eingriff in die Umwelt des Planeten bedeutet. „Unerlässlich ist für uns daher der interdisziplinäre Forschungsansatz, den wir für ,Humans on Mars‘ verfolgen. Nur so können radikal neue Lösungen für die extremen Anforderungen an das Leben und Überleben auf dem Mars entwickelt werden“, erläutert Avila. „Ziel ist es, das derzeitige Paradigma der Produktivität durch eines der Nachhaltigkeit zu ersetzen“.

Die zentrale Forschungsfragen der Initiative:
Konkret werden sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit folgenden Fragen beschäftigen: Wie können menschliche Siedlungen unter den extremen, ja sogar lebensfeindlichen Umweltbedingungen auf dem Mars autonom werden und sich autark versorgen? Wie können neue Prozesse aussehen, die auf die extreme Energie- und Ressourcenknappheit auf dem Mars ausgerichtet sind? Kann womöglich die gefährliche Weltraumstrahlung zur Energiegewinnung genutzt werden? Wie gestaltet sich die Neubildung einer Mikrogesellschaft mit künstlich intelligenten Systemen und Maschinen in ihrer Mitte und wie entwickelt sich langfristig ihr Verhältnis zu den Menschen auf der Erde?

Besonderes Augenmerk gilt dem „Umweltschutz“: Welche Kompromisse sind möglich zwischen der Besiedlung und dem Eingreifen des Menschen auf der einen Seite und der Unversehrtheit der neuen Umgebung und Marsatmosphäre auf der anderen Seite? Und nicht zuletzt: Können wir die Erkenntnisse aus dem verantwortungsvolleren Umgang mit Ressourcen, die auf dem Mars noch knapper sind als auf der Erde, auch auf unseren Planeten übertragen – also vom Mars für die Erde lernen?

Über die Initiative:
Das Land Bremen fördert die Initiative. Der Anstoß und die Federführung zu „Humans on Mars“ kommt aus dem Wissenschaftsschwerpunkt MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen. Etwa 60 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus acht Fachbereichen der Universität Bremen sind daran beteiligt. Eng eingebunden sind außeruniversitäre Forschungsinstitute der U Bremen Research Alliance wie das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien IWT und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI).

Zur Auftaktveranstaltung:
Zur Auftaktveranstaltung am 8. Juli 2022 im Haus der Wissenschaft in Bremen werden alle beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erwartet, die ihre jeweiligen Teilprojekte im Rahmen der Initiative „Humans on Mars“ vorstellen. Eröffnet wird die Veranstaltung unter anderem mit einem Grußwort von Dr. Claudia Schilling, Senatorin für Wissenschaft und Häfen der Freien Hansestadt Bremen, sowie Professor Bernd Scholz-Reiter, Rektor der Universität Bremen.

Weitere Informationen:
https://www.uni-bremen.de/humans-on-mars-initiative

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• Marsflug, Marsbasis

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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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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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Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: GFZ.

2. September 2021 – Die Weltraumstrahlung ist eines der Hauptprobleme bei der Planung langfristiger bemannter Weltraummissionen. Für den Menschen gefährlich sind sowohl energetische Teilchen der Sonne (SEP) als auch die galaktische kosmische Strahlung (GCR) aus dem Weltall. Ein internationales Team um Yuri Shprits vom GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) und der Universität Potsdam sowie Mikhail Dobynde vom Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Moskau hat nun anhand von umfassenden Simulationen gezeigt, unter welchen Bedingungen eine Mission zum Mars machbar ist, auch wenn sie eine enorme technische Herausforderung darstellt. Hierfür betrachteten die Forschenden die verschiedenen Strahlungstypen und ihre Ausbreitung im Weltraum sowie in ein Raumfahrzeug mit Astronaut*innen-Modell. Die ermittelten Rahmenbedingungen: Der Schutzschild des Raumschiffs sollte ausreichend dick sein, um die mitfliegenden Menschen vor der Strahlung zu schützen, eine gewisse Dicke aber nicht überschreiten, da sonst im Material zu viele Sekundär-Partikel erzeugt werden. Selbst mit einem optimal konstruierten Raumfahrzeug sollte die Reise insgesamt nicht länger als vier Jahre dauern. Und sie sollte im Zyklus der Sonnenaktivität während des Maximums gestartet werden. Dann wird die besonders gefährliche kosmische Strahlung durch die Sonnenaktivität am besten abgeschirmt. Die Ergebnisse sind im Fachmagazin Space Weather erschienen.

Bedrohung Weltraumstrahlung

Eine Reise zum Mars dauert nach aktuellem Stand rund neun Monate in eine Richtung. Während Menschen auf der Erde und in erdnahen Umlaufbahnen durch den Erdkörper und sein Magnetfeld vor Weltraumstrahlung geschützt sind, stellt letztere für Reisen in den tieferen Weltraum, etwa zum Mars, ein erhebliches Risiko dar. Dabei sind Astronaut*innen zwei Arten gefährlicher Strahlung ausgesetzt: Energiereiche Teilchen solaren Ursprungs (SEP), bei denen es sich hauptsächlich um positiv geladene Protonen handelt, und die galaktische kosmische Strahlung (GCR). Sie besteht ebenfalls überwiegend aus Protonen (84%), sowie aus positiv geladenen Alpha-Teilchen (zwei Protonen + zwei Neutronen, 14%) und negativ geladenen Elektronen (2%). Ein Schutz vor diesen Teilchen ist technisch sehr schwierig und aufwändig, weil sie mit sehr hohen Energien durch den Weltraum fliegen und daher tief in Materialien ein- bzw. sie auch durchdringen können. Im Material kann es zudem zu Streuprozessen kommen, bei denen neue, sogenannte Sekundär-Teilchen erzeugt werden. Diese hoch-energetische Teilchenmix kann sowohl in der menschlichen Haut als auch in inneren Organen Zellen schädigen.

Umfassende Simulationen durch internationales Team

Um abzuschätzen, wie stark die Astronautinnen durch die Weltraumstrahlung belastet werden, und um so die optimalen Bedingungen für eine Mission zum Mars zu finden, haben die Forschenden verschiedene Strahlungssituationen und Schutzoptionen simuliert. Beteiligt waren neben den beiden Hauptautoren Yuri Shprits (GFZ) und sein ehemaliger Doktorand Mikhail Dobynde (Skoltech Moscow) auch Kolleginnen vom MIT und der University of California, Los Angeles (USA).

Zunächst ermittelten sie die Strahlungsumgebung für das Raumschiff, also Art und Energie der Partikel, denen es während seiner Mission ausgesetzt ist. Hierbei stützten sie sich auf Messungen der solaren Teilchen SEP aus den Jahren 1998 bis 2012. Für die galaktische Strahlung GCR nutzten sie ein empirisches Modell, in dem auch die Effekte des Sonnenzyklus berücksichtigt wurden.

Einfluss des Sonnenzyklus auf beide Strahlungsarten

Die Intensität der beiden Strahlungsarten variiert während des elfjährigen Sonnenzyklus. Bei diesem Prozess polt sich das solare Magnetfeld um: magnetischer Nord- und Südpol tauschen die Plätze. Dementsprechend haben auch verschiedene Sonnenaktivitäten diesen elfjährigen Rhythmus. Beispielsweise kommt es zu Sonneneruptionen, bei denen in einem explosiven Ereignis intensive Strahlungsstöße frei werden, die sich in das Sonnensystem ausbreiten. Allerdings entstehen auf diese Weise nur sporadisch die gefährlichen energiereichen solaren Teilchen (SEP). Eine genaue Vorhersage über Zeitpunkt, Stärke und Richtung der Strahlung ist eine große Herausforderung. Klar ist jedoch, dass die Wahrscheinlichkeit und die Intensität der solaren Strahlung auf dem Höhepunkt der Sonnenaktivität am größten ist.

Im Gegensatz dazu ist die galaktische kosmische Strahlung (GCR) von gleichmäßigerer Natur. Obwohl die Teilchenflüsse nicht so hoch sind, können sich bei langen Reisezeiten im All die Strahlungsdosen gefährlich aufsummieren. Auch die kosmische Strahlung wird durch die Sonnenaktivität beeinflusst: Sie wird von ihr abgeschirmt und ist daher im Maximum der Sonnenaktivität am schwächsten.

Strahlenwirkung auf Raumschiff und Besatzung

Um den Einfluss der Strahlung auf Raumschiff und Mensch zu untersuchen, wurde ersteres durch eine Kugel mit einem Innendurchmesser von zwei Metern modelliert. Als Material für die Hülle wählten die Forschenden das gängige Aluminium, die Dicke dieses Schutzmantels wurde variiert. Eine Wasserkugel von 35 Zentimetern Durchmesser diente als Modell für den menschlichen Körper.

Auf dieser Basis haben die Forschenden schlussendlich die Strahlendosis berechnet, die sich im Laufe einer Reise zum Mars unter verschiedenen Bedingungen im Körper akkumuliert. Dabei analysierten sie auch verschiedene Eindringtiefen in den Körper, um die Empfindlichkeit von Haut, blutbildenden und anderen Organen zu differenzieren.

Ergebnis: Optimale Bedingungen für einen Flug zum Mars

„Bislang gehen die meisten Weltraumorganisationen davon aus, dass die gesamte Strahlungsbelastung für Astronaut*innen im Laufe ihres Lebens den Wert von 1 Sievert nicht überschreiten sollte“, sagt Yuri Shprits. Die neuen Berechnungen zeigen, dass dieser Wert eingehalten werden kann, wenn das Raumschiff eine optimal dimensionierte Hülle hat, wenn der Flug während des Sonnenmaximums startet, und wenn die gesamte Reisezeit 3,8 Jahre nicht überschreitet.

Für den Aluminium-Schutzschild erweist sich eine Materialstärke von 30 Gramm pro Quadratzentimeter als optimal. Bemerkenswert ist, dass das Prinzip „mehr hilft mehr“ den Untersuchungen nach hier nicht angewendet werden kann: Wird das Material dicker, so kommt es in ihm vermehrt zu Streuprozessen, bei denen Sekundär-Teilchen entstehen, die die Strahlenbelastung im Inneren wieder erhöhen können. Auch bei dünnerem Material wäre die kritische Strahlendosis bereits bei kürzeren Flugzeiten erreicht.

Ausblick auf neue Materialien und künftige Missionen

Sollte es neue Erkenntnisse zur biologischen Wirksamkeit von Strahlung und neue Materialentwicklungen geben, lassen sich die vorliegenden Modelle anpassen.
„Wir haben uns hier zunächst auf Aluminium als das zurzeit gängige Material für den Strahlenschutzschild konzentriert. Seit längerem werden auch Komposit-Werkstoffe wie Kohlefaser-Verbundwerkstoffe (CFK) diskutiert, die mit leichten Elementen wie Wasserstoff gespickt sind. An diesen Materialien würden wir weniger Streuprozesse beobachten und daher weniger sekundär-induzierte Teilchen“, prognostiziert Shprits. Insgesamt dürfte das aber nur zu einer Verbesserung der Schutzwirkung um rund 20 Prozent führen, schätzt der Weltraumphysiker. Damit wäre dann eine Verlängerung der Reisezeit um ein Jahr möglich.

Zu beachten ist den Forschenden zufolge, dass die Auswirkungen der verschiedenen Strahlungsarten auf den menschlichen Körper noch nicht umfassend verstanden sind. Daher könnten sich künftig die Empfehlungen für die maximale Dosis und in Konsequenz dann auch zur maximalen Aufenthaltsdauer im All noch ändern.

Vorsicht sei auch geboten hinsichtlich der Variation des Sonnenzyklus. Dessen Auswirkungen sind nicht immer gleich, was bei Planungen für künftige Missionen berücksichtigt werden müsse.

Originalstudie: M.I. Dobynde, Y.Y. Shprits, A.Yu. Drozdov, J. Hoffman, J. Li, Beating 1 Sievert: Optimal Radiation Shielding of Astronauts on a Mission to Mars, Space Weather 2021, DOI: 10.1029/2021SW002749

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: ESA.

Diese hochmodernen Proben wurden von Wissenschaftlern des Universitätsklinikums der Technischen Universität Dresden (TUD), die zum Projektkonsortium gehört, zusammen mit OHB System AG als Hauptauftragnehmer und dem Life-Science-Spezialisten Blue Horizon erstellt.

„Mit Hilfe von menschlichem Blutplasma, das für die Besatzungsmitglieder der Mission leicht zugänglich wäre und als nährstoffreiche „Bio-Tinte“ dient, können im 3D-Biodrucker menschliche Zellen gedruckt werden“, sagt Nieves Cubo von der TUD. „Da Plasma eine sehr flüssige Konsistenz hat, ist es schwierig, damit unter veränderten Gravitationsbedingungen zu arbeiten. Wir haben daher eine modifizierte Rezeptur durch Zugabe von Methylcellulose und Alginat entwickelt, um die Viskosität des Substrats zu erhöhen. Astronauten könnten diese Substanzen aus Pflanzen bzw. Algen beziehen – eine umsetzbare Lösung für eine geschlossene Weltraumexpedition.

Bei der Herstellung der Knochenprobe werden menschliche Stammzellen mit einer ähnlichen Bio-Tinten-Zusammensetzung unter Zugabe eines Calciumphosphat-Knochenzements als strukturtragendes Material gedruckt, das anschließend während der Wachstumsphase absorbiert wird.“ Um zu beweisen, dass die Biodrucktechnik auf im Weltraum möglich ist, wurde sowohl die Haut- als auch die Knochenprobe „umgekehrt“ gedruckt. Da ein längerer Aufenthalt in der Schwerelosigkeit nicht möglich war, stellte die Herausforderung eines solchen „minus 1 G“-Tests die nächstbeste Option dar.

Diese Proben stellen die ersten Schritte in einer ambitionierten End-to-End-Strategie dar, um den 3D-Biodruck auch im Weltraum zu realisieren. Das Projekt untersucht, welche Einrichtungen in Bezug auf Ausrüstung, Operationssäle und sterile Umgebungen an Bord erforderlich wären und ob es möglich wäre, komplexere Gewebe für Transplantationen herzustellen – bis hin zum Druck ganzer innerer Organe. „Bei einer Reise zum Mars oder zu anderen interplanetaren Zielen befinden sich die Astronauten mehrere Jahre im Weltraum“, so der Projektverantwortliche Tommaso Ghidini, Leiter der Abteilung für Strukturen, Mechanismen und Materialien bei der ESA.

„Die Crew ist dabei vielen Risiken ausgesetzt und eine frühzeitige Rückkehr nach Hause ist ausgeschlossen. Die Mitnahme von ausreichend medizinischer Versorgung für alle möglichen Eventualitäten ist an Bord eines beengten Raumschiffes mit begrenzter Masse schlichtweg nicht möglich. Ein 3D-Biodrucker würde eine flexible Reaktion auf medizinische Notfälle ermöglichen. Im Falle von Verbrennungen könnte beispielsweise neue Haut gezüchtet und aus den eigenen Zellen des Astronauten gedruckt werden. Sie müsste dann nicht aus anderen Teilen des Körpers transplantiert werden, zumal die Heilung sekundärer Verletzung in der orbitalen Umgebung erschwert ist.

Bei Knochenbrüchen – die durch die Schwerelosigkeit im All und die geringere Gravitation auf dem Mars (0,38 im Vergleich zur Erdgravitation) wahrscheinlicher werden – könnten Ersatzknochen in verletzte Bereiche eingesetzt werden. In allen Fällen würde das durch den 3D-Biodruck entstandene Material vom Astronauten selbst stammen, so dass es keine Probleme mit der Abstoßung des Transplantats geben würde.“

Auf der Erde verzeichnet der 3D-Biodruck laufend Fortschritte. Allerdings ist dieses Projekt das erste, der ihren Einsatz im All untersucht. Tommaso erklärt: „Dieses Vorgehen folgt einem typischen Muster, wenn vielversprechende terrestrische Technologien, von Kameras bis hin zu Mikroprozessoren, erstmals im Weltraum eingesetzt werden. Wir müssen mit weniger Ausrüstung mehr erreichen, damit der Einsatz in der herausfordernden Weltraumumgebung funktionieren kann. Deshalb müssen verschiedene technologische Elemente optimiert und verkleinert werden.

Dabei hoffen wir, dass unsere Arbeit im Zusammenhang mit dem 3D-Biodruck wiederum dazu beitragen wird, schnellere Fortschritte auf der Erde zu erzielen, die breite Verfügbarkeit zu beschleunigen und das Verfahren noch schneller für Menschen einsetzbar zu machen. Das Projekt 3D Printing of Living Tissue for Space Exploration (3D-Druck von lebendem Gewebe für die Weltraumforschung) wird durch das ESA-Programm Discovery and Preparation unterstützt und von OHB System in Deutschland in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung der TU Dresden in Deutschland geleitet.

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Quelle: Deutsches Zentrum für Satelliten-Kommunikation e.V..

Backnang, 29. Mai 2019: Über 200 Gäste haben sich im Backnanger Bürgerhaus im Walter-Baumgärtner-Saal für den Vortrag „12 Monate auf dem simulierten Mars – ein Erfahrungsbericht“ mit Geophysikerin Dr. Christiane Heinicke interessiert. Der Informationsabend wurde im Rahmen der sogenannten DeSK-Impulse bereits zum siebten Mal vom Deutschen Zentrum für Satelliten-Kommunikation (DeSK) zu Themen rund um den Weltraum organisiert.

Die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Mars beträgt ca. 150 Millionen Kilometer. Mit mindestens sechs Monaten Reisezeit ist ein Flug zum Mars ein ganz besonderer Langstreckenflug. Frau Dr. Heinicke erläuterte, dass als Aufenthaltsdauer auf dem Mars 30 Tage oder 1,5 Erdenjahre in Frage kommen würden für ein günstiges Zeitfenster zur Rückreise. Dabei müsse man beachten, dass für einen Tag im All quasi ein Tag Reha notwendig sei, d.h. bei solch einem Flug in die Ferne müsse sehr bewusst auf die Bewegung geachtet werden, denn die Schwerelosigkeit im All und die reduzierte Anziehungskraft auf dem Mars führe zum Muskelschwund.

Im Anschluss ging die Geophysikerin detailliert auf ihre Erfahrungen bei dem NASA-finanzierten Projekt „Hawaii Space Exploration Analog and Simulation“ (HI-SEAS) ein. Dabei simulierten sechs Teilnehmer ein Jahr lang auf Hawaii unter engsten Raumverhältnissen ein Leben auf dem Mars. Diese Simulationen, welche in der HI-SEAS-Station durchgeführt werden, dienen dazu, Probleme zu erkennen, bevor man auf die eigentlich Mission ins All aufbricht.

Die Referentin klärte in diesem Zusammenhang über ihre Erlebnisse ohne frische Luft, Tageslicht oder direkten Kontakt zur Außenwelt auf. Außerdem berichtete sie über die zwischenmenschlichen Herausforderungen sowie den Alltag in einer Kuppel von 11 Metern Durchmesser und 6 Metern Höhe. Neben den Gefahren durch eine feindliche Umgebung sind vor allem auch die psychologischen Gefahren innerhalb einer Gruppe nicht zu unterschätzen. Daher ist die Zusammenstellung einer solchen Crew – vor allem mit Blick auf die psychologischen Aspekte – eine große Herausforderung. Sie berichtete davon, wie drei selbst gezüchtete Tomaten im Team brüderlich geteilt und mit Hochgenuss in kleinen Häppchen verzehrt wurden. Das Experiment in Isolation zeigt somit, wie man sich an den alltäglichen Dingen des Lebens erfreuen kann.

Nach Beendigung ihrer Ausführungen konnte sich die Referentin vor den vielen Fragen aus dem Publikum kaum retten. Ein Teilnehmer wollte wissen, ob in diesem ‚Experimente-Jahr‘ Liebesbeziehungen hervorgegangen sind und falls ja, wie damit umgegangen wurde. Frau Dr. Heinicke erklärte, dass dieses Thema im Vorfeld tatsächlich innerhalb der Gruppe bereits angesprochen wurde, um ein Gefühl dafür zu bekommen, ob solch eine Situation gemeinsam durchgestanden werden könne. Tatsächlich gab es dann auch Beziehungen, aber das Team habe gemeinsam beschlossen, „nichts weiter dazu zu sagen“. Nachdem das Experiment erfolgreich durchgeführt wurde, hat die Gruppendynamik in diesem Fall wohl funktioniert.

Die Anekdote, dass eine herumliegende Kaffeetasse ebenfalls zu gewissen Konflikten geführt hat, zeigt dann wiederum, dass man sich wohl auch auf dem Mars mit ganz irdischen Problemen befassen muss. Im Anschluss an den faszinierenden Vortrag, nutzten viele der Teilnehmer im Rahmen des Get-togethers noch die Gelegenheit, persönliche Fragen zu stellen und in eine Diskussion mit der Referentin zu treten.

Die nächsten DeSK-Impulse sind voraussichtlich für den Sommer 2020 geplant.

Deutsches Zentrum für Satelliten-Kommunikation e.V. (DeSK)
Unternehmen, wissenschaftliche Einrichtungen und Hochschulen aus dem Bereich der Satellitenkommunikation haben sich im Jahr 2008 im Deutschen Zentrum für Satelliten-Kommunikation e.V. (DeSK) zusammengeschlossen.

Ziel des DeSK ist es, die Mitglieder zur Erweiterung der Geschäftsbeziehungen zusammenzuführen sowie zu einem schlagkräftigen Netzwerk zu bündeln und dabei Synergien zu erzeugen. Außerdem werden gemeinsame Aktivitäten zur Fachkräftegewinnung durchgeführt. Ferner obliegt dem DeSK der Betrieb eines Showrooms zum Thema ‚Satellitenkommunikation‘. Als Teil der Kompetenzzentren Initiative der Region Stuttgart wird das DeSK von der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH (WRS) gefördert.

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Ein Beitrag von Stefan Goth. Quelle: Lockheed Martin, NASA, IAC.

Das Mars Base Camp (MBC) genannte Konzept des Luft- und Raumfahrtkonzerns Lockheed Martin wurde bereits 2016 beim Kongress der International Astronautical Federation in Guadalajara Mexiko einer größeren Öffentlichkeit vorgestellt. Obwohl es durchaus ambitionierte Ziele verfolgt und eine bemenschte Expedition in den Marsorbit und u.U. Explorationen der Marsmonde vorsah, war die Reaktion darauf eher verhalten. Die Diskussionen in den einschlägigen Foren drehten und drehen sich vielmehr um das bei der gleichen Veranstaltung erstmals von Elon Musk präsentierte Konzept einer Besiedelung des Mars mit Hilfe einer noch zu entwickelnden „Big Fucking Rocket“ BFR. Beim IAC Kongress im September 2017 im australischen Adelaide wurde das Mars Base Camp um weitere Missionen mit Landungen auf der Marsoberfläche erweitert.

Es ist natürlich (noch) kein offizielles Projekt der NASA oder eines internationalen Verbunds von Raumfahrtagenturen, aber zumindest ein Vorschlag, der in die langfristige Strategie der NASA passen würde. Es besteht aus verschiedenen Komponenten die spätestens im Marsorbit verbunden werden. Einige Teile werden mittels hocheffizienter solarelektrischer Antriebe vorab in den Marsorbit gebracht und warten dort auf die Transferstufe die mit chemischem Antrieb (flüssiger Wasserstoff H₂ und flüssiger Sauerstoff O₂) mit Astronauten zum Mars geschickt wird.
Im Bild sieht man die Konfiguration im Marsorbit der ersten Mission, die für 2028 angedacht ist. In der Mitte befindet sich ein Verbindungsknoten (Node) mit einer Kuppola, wie man sie von der ISS kennt. Diese ermöglicht optische Beobachtungen und unterstützt z.B. Montagevorgänge außenbords.

Daran schließen sich links und rechts einmal das Habitat und das Labormodul an, welche von den Außenmaßen sehr ähnlich sind. Jedes dieser beiden Bauteile verfügt über Aufenthalts- und Schlafbereiche für die Crew, welche sich hinter den außen angebrachten sog. Tank-Farmen verbergen. Durch diese Anordnung wird die Crew besser vor Strahlung geschützt. Im Bereich der Tanks sind auch die Solarpaneele und die Radiatoren zur Kühlung befestigt. Außerdem sind hier jeweils Roboterarme angebracht, die insbesondere bei der Montage der Station oder bei Wartungsarbeiten genutzt werden. Daran schließen sich jeweils eine Orion-Kapsel (auch Multi Purpose Crew Vehicle, MPCV genannt) an, die wiederum mit sog. Cryogenic Propulsion Stages (CPS), kryogenen Antriebsstufen verbunden sind. Noch am zentralen Node ist auch ein kleines sog. Excursion Modul angedockt, welches in Verbindung mit einer Orion Annäherungen an die Marsmonde Phobos und Deimos ermöglichen soll.

Da Lockheed Martin der Hauptauftragnehmer für die Orion-Kapsel ist, verwundert es nicht, dass das Multi Purpose Crew Vehicle auch wichtige Funktionen beim Mars Base Camp (MBC) übernimmt. Insbesondere sollen die Entwicklungen bezüglich Avionik, Telekommunikation und des Lebenserhaltungssystems u.a. auf weitere Bauteile des Mars Base Camps übertragen werden.

Insgesamt ist das Konzept eine Kombination aus Habitat, Transportraumschiff zum Mars, Orbitalstation im Marsorbit, Forschungsplattform für bemenschte Missionen zu Phobos und Deimos, Ausgangspunkt und Steuerplattform für robotische Mars-Exploration und letztlich auch Ausgangspunkt für multiple, kurze bemenschte Marslandungen (ggf. auf späteren Missionen). Was als Marstransferraumschiff mit Menschen fungieren soll wird in der Erdumlaufbahn (bzw. cis-Lunar) zusammengebaut werden. Die Besatzung (zunächst 6 Personen) wird mit zwei Orion-Kapseln dorthin gebracht. Vorstellbar ist eine erste Mission bereits zum 2028-Startfenster, wenn auch noch ohne bemenschte Marslandung. Die Orion-Kapseln werden auch zur Bereitstellung von Avionik bzw. für Ausflüge zu Phobos/Deimos gebraucht. Hierbei dockt eine Orion-Kapsel mit Cryogenic Propulsion Stage ab, koppelt an das Excursion Modul und dieses wiederum kuppelt vom verbleibenden restlichen Mars Base Camp ab. Der kleine Verbund fliegt dann zu Deimos oder Phobos, um dort Kontakt mit der Oberfläche aufzunehmen und Untersuchungen durchzuführen. Material kann mit in die Station im Marsorbit zurückgebracht und dort genauer untersucht werden.

Bei der ersten Mission ist noch nicht geplant mit Menschen auf der Marsoberfläche zu landen, allerdings sollen Rover und Roboter vom Mars Base Camp aus gesteuert werden. U.U. können Rückkehrkapseln von Mars Sample Missionen aufgenommen und untersucht werden.

Das Mars Base Camp verbleibt in dieser Konfiguration bis zum nächsten Rückflugfenster, um sich dann zu teilen. Ein Teil mit Cryogenic Propulsion Stage, Orion und Habitat fliegt als Marstransferstufe zur Erde zurück. Das Labormodul und andere Bauteile verbleiben beim Mars. Nach der Rückkehr des Transfer-Teils des Mars Base Camp zur Erde (bzw. in die Umlaufbahn um den Mond) dienen die Orion-Kapseln der Mannschaft als Rückkehrvehikel zur Erde.

Bei nachfolgenden Missionen sollen mit einem wiederverwendbaren Lander diverse Missionen zur Marsoberfläche geflogen werden. Im Marsorbit soll der Lander wiederbetankt und für die nächsten Einsätze fit gemacht werden. Ggf. kann Treibstoff über ISRU gewonnen werden. Ein besonderer Vorteil dieses Konzepts ist die Möglichkeit jederzeit im Falle eines größeren Problems vom Marsboden zum Mars Base Camp starten zu können (abort to orbit) und dort bis zum nächsten Transferfenster zur Erde warten zu können.

Die wichtigsten Grundsätze des Konzepts sind
– jede Mission soll die Grundlagen für die nächste liefern bzw. bereitstellen, – Wiederverwendung möglichst vieler Teile, um Ressourcen zu sparen und die Verfügbarkeit zu erhöhen,

– Ausnutzung und Erweiterung vorhandener Technologien (z.B. SLS und Orion, Erfahrungen mit Habitaten etc.), – Crew Safety, Vermeidung von Single-Point-of-Failures, deshalb Redundanz bei allen wichtigen Einrichtungen (2 Orion, 2 Habitat/Labormodul, 2 Lander etc.) – zwar NASA-geführt aber mit starker internationaler und kommerzieller Partnerschaft; kommerziell zur Verfügung gestellte Dienstleistungen sind zu bevorzugen

Am Deep Space Gateway (DSG) sollen die Fähigkeiten des MBC demonstriert und getestet werden, z.B. Telerobotik, Sample Return (Materialrückführung), Solar Electric Propulsion (solarelektrische Antriebe, SEP). Geplant ist auch die Untersuchung von Material, das von der Oberfläche (DSG: Mond; MBC: Phobos, Deimos, Mars) eingesammelt wurde. Herausgestellt wird von Lockheed Martin der Vorteil der Prozessplanung und Abwicklung von Sample-Return-Missionen durch Astronauten aus dem Orbit im Gegensatz zu fernrobotischen Missionen wie z.B. Spirit oder Curiosity, die von der Erde aus gesteuert werden müssen. Außerdem kann am DSG Betrieb und Wartung einer Station geübt werden, bei der es keine Rückfall- bzw. Rückkehroption innerhalb weniger Stunden zur Erde gibt. Weiterhin soll hier der 3D-Druck von Ersatzteilen genutzt werden, anstatt diese von der Erde hochzuschicken. Mit dem Power Propulsion Element (PPE) des DSG wird ein 40 kW-SEP getestet. Dieses und andere Vorläufer der Technologien, die insbesondere für die Platzierung von Teilen des MBC im Marsorbit vor dem Eintreffen der Astronauten notwendig sind (Versorgungsgüter, Lander, EVA-Module etc.), werden mit dem DSG getestet.

Nach der ersten MBC-Mission, die „nur“ im Marsorbit unterwegs sein soll, könnten danach Missionen mit mehreren Landungen mit Astronauten auf dem Mars erfolgen (MBC-S, Mars Base Camp with Surface Sortie). Die wiederverwendbaren Lander sollen im Marsorbit an das MBC andocken und nach der Rückkehr von der Marsoberfläche dort wieder aufgetankt werden. Die Treibstoffversorgung soll über die Elektrolyse (mit Solarstrom) von Wasser in H₂ und O₂ erfolgen. Zunächst soll das Wasser (idealerweise durch kommerzielle Partner) von der Erde gebracht werden, mittelfristig durch ISRU (In-situ resource utilization, Herstellung von Ressourcen vor Ort) von den Marsmonden bzw. vom Mars selbst gewonnen werden. Auch diese Treibstoffproduktion könnte über kommerzielle Dienstleister erfolgen.

Die fünf Phasen einer MBC-S Mission (Mars Base Camp – Surface Sortie):
A. Vorbereitung der MBC-Hardware beim Deep Space Gateway, mit betanken der zwei kryogenen Antriebsstufen (LH₂ und LO₂)
B. Vorbereitung der Elemente die von früherer Mission im Marsorbit verblieben sind (Labormodul, zentraler Verbindungsknoten, Deimos/Phobos-Exkursionsvehikel, SEP-Antriebsstufen und Solarpaneele), mit Anpassung des Orbits;

Transfer der Lander (MADV, Mars Ascent/Descent Vehicle) und von Treibstoffdepots von der Erde in den Marsorbit (ggf. mit SEP) und Docking mit den dort verbliebenen Elementen des MBC. Von der Erde sollen die MADV jeweils mit einer SLS Block 1B gestartet werden. C. Start der Crew zum MBC-Transfervehikel und Flug zum Mars, Andocken an die anderen Komponenten des MBC D. Marslandungen E. Rückkehr zur Erde Wobei üblicherweise das MBC-Transfervehikel mit den zwei Orions am DSG andockt und von dort die Rückkehr mit den Orions erfolgt. Die Orions sind aber so ausgelegt, dass sie auch die Eintrittsgeschwindigkeiten und Trajektorien für eine direkte Rückkehr zur Erde bewältigen können, d.h. sollte das Einbremsen des MBC-Transfervehikels in den Erdorbit/Lunarorbit scheitern bzw. nicht möglich sein, können die Orions selbst entsprechend bremsen und landen (Eintritt in die Erdatmosphäre mit bis zu 11,5 km/s Geschwindigkeit).

Das Nachtanken der kryogenen Antriebsstufen des MBC-Transfervehikels beim DSG soll durch kommerzielle Anbieter erfolgen. Wobei zwischen „Tank-Farmen“ und den kryogenen Antriebsstufen unterschieden wird. Die Tank-Farmen, die um die Aufenthaltsbereiche der Crew angebracht sind, werden aktiv gekühlt, die kryogenen Antriebsstufen nicht. Die kryogenen Antriebsstufen werden daher erst kurz vor dem Abflug zum Mars befüllt.

Als Vorteil der zunächst auf ca. 10 Tage angesetzten Kurzausflüge zur Marsoberfläche wird der geringere Aufwand für die Versorgung und Vorablieferung von Ausrüstung gegenüber einem Aufenthalt von ca. einem Erd-Jahr auf der Marsoberfläche gesehen. Alles was die Crew braucht wird im Lander mitgebracht.

Bei einer MBC-S-Mission sind mehrere Ausflüge an unterschiedliche Landeorte auf der Marsoberfläche möglich, dadurch kann die wissenschaftliche Ausbeute vergrößert werden. Insgesamt sind die Kosten niedriger.

Außerdem ergeben sich mehrere Sicherheits-Vorteile:

– die Landegenauigkeit muss nicht sehr hoch sein (statt vorplatzierte Versorgungsgüter „zu treffen“) – Abbruchmöglichkeit zu jeder Zeit (Rückkehr zum MBC) – mit zwei Landern besteht sogar die Möglichkeit eine auf der Marsoberfläche gestrandete Crew zu retten (das setzt allerdings wieder eine hohe Landegenauigkeit des zweiten Landers voraus). Weiterhin ergibt sich eine größere Flexibilität, da die Landeorte der einzelnen Ausflüge relativ kurzfristig ausgewählt werden können. Einen polaren Orbit des MBC vorausgesetzt, kann praktisch jeder Punkt der Marsoberfläche erreicht werden. Dadurch können verschiedene potentielle Landeorte für spätere, längerfristige Außenposten untersucht werden.

Wasserstoff und Sauerstoff als ausschließliche Treibstoffe
Die Lander arbeiten ausschließlich mir H₂/O₂. Verdampfendes LH₂/LO₂ wird zur Energieerzeugung (es wird mit Verbrennungsmotoren mit Generator geplant, Brennstoffzellen als Backup-Option) und als Wasserversorgung genutzt. Die Anzahl der Landungen bei einer MBC-Mission hängt daher hauptsächlich von der Menge des verfügbaren Treibstoffs ab. Die Tank-Farmen die das MBC-Transfervehikel mitführt reichen entweder für zwei Ausflüge zu Phobos/Deimos (wie bei der ersten MBC-Mission vorgesehen) oder für eine Landung des MADV zur Marsoberfläche und zurück.

Für weitere Landungen soll Treibstoff über die Elektrolyse aus Wasser bereitgestellt werden. Zunächst soll dieses Wasser von der Erde kommen und mit autonomen Wassertankern (autonomous Water Delivery Vehicle WDV, mit SEP als Antrieb) geliefert werden, die idealerweise von kommerziellen Partnern betrieben werden. Die Lander sind als Liftingbody ausgelegt, nutzen „supersonic retro propulsion“ (SRP, analog zu den landenden Erststufen der Falcon 9), landen vertikal und stehen dann auf vier Landefüßen. Der Lander hat betankt 100 t oder mehr und soll komplett wiederverwendbar sein. Daher scheiden Fallschirme oder ähnliches aus. Der Lander dient auf der Marsoberfläche als Habitat und Basis für 4 Astronauten. Die Energieversorgung erfolgt durch das verdampfende LH₂/LO₂, welches ansonsten in flüssiger Form für den Rückflug zum MBC in den Tanks verblieben ist.
Der Rückstart erfolgt mit den gleichen Triebwerken wie bei der Landung als Single-Stage-to-Orbit. Wichtig ist, dass alle Verschleißteile (z.B. Luftfilter) problemlos durch die Crew vom MBC aus getauscht werden können. Maximale Wiederverwendung bei minimalem Wartungsaufwand ist das Ziel. Der Thermoschutz für die Landungen muss daher dauerhaft ausgelegt sein. 

Das ganze Konzept basiert ausschließlich auf H₂/O₂-Antrieben (auch für das Reaction Control System, RCS) und benötigt ggf. Wasserlieferungen, um mit Elektrolyse Treibstoff herzustellen. Neben dem höchsten spezifischen Impuls (Isp) chemischer Antriebe und damit verbundener hoher Effizienz reduziert es die Kosten für den Transport (von Wasser, statt verflüssigter Treibstoffe). Außerdem ermöglicht es zukünftige Treibstoffgewinnung aus Wasser (Marsmonde, Mars etc.)

Das MADV soll 6 Triebwerke (weiterentwickelte RL-10) als Haupttriebwerke bekommen.

Kommentar des Autors:
Wenn man dieses Konzept mit dem Vorschlag von SpaceX vergleicht, fällt auf dass Elon Musk mehr „vom Ende her denkt“, d.h. er plant eine Besiedelung des Mars und fragt sich was braucht man dafür? Das Konzept von Lockheed Martin geht den umgekehrten Weg und fragt, wo sind wir und wo wollen wir hin?

Daher baut es auf vorhandenem auf (SLS, Orion), nutzt bereits in Planung befindliche Technologien (DSG), geht einen Schritt für Schritt Ansatz und stellt den wissenschaftlichen Output in den Fokus. Wenn es konsequent verfolgt wird erscheinen die zeitlichen Ziele erreichbar. 2028 eine Mission zum Marsorbit und ggf. zu Phobos und Deimos und bei der übernächsten passenden Planetenkonstellation eine Mission mit mehreren Ausflügen zum Marsboden könnten machbar sein. Mit weiteren Missionen können die Aufenthaltsdauern auf dem Marsboden verlängert werden, um dann irgendwann in dauerhafte Präsenz überzugehen. Insoweit könnten sich die beiden Konzepte sogar ergänzen, das Mars Base Camp dient für Pfadfindermissionen, um geeignete Landeplätze für nachfolgende Missionen mit BFR/BFS von SpaceX zu finden und vorzubereiten. Problematisch könnten die Kosten werden, da bedingt durch die strenge Redundanzregel alle wichtigen Komponenten des MBC doppelt vorhanden sein sollen. Das bedingt natürlich auch die doppelte Anzahl an Starts und Versorgungsflügen vom Erdboden aus. Aus Sicht eines Lieferanten und Dienstleisters sind diese als Teil des Business-Cases natürlich erwünscht, aus Sicht eines potentiellen Auftraggebers oder Nutzers sind das erhebliche Zusatzkosten. Sollte dieses Konzept weiterverfolgt werden, ist denkbar, dass die Anzahl der Komponenten reduziert und einiges vereinfacht wird, um die Kosten zu reduzieren und die Umsetzbarkeit zu erhöhen.

Quellen

• Lockheed Martin Reveals New Details to its Mars Base Camp Vision (28. September 2017)

• Mars Base Camp

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• Marsflug, Marsbasis

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASASpaceFlight, Wikipedia, SpaceX, Raumcon.

Demnach wird man bei dem neuen Triebwerk sowohl einen anderen Brennstoff als auch eine andere Triebwerkstechnologie einsetzen. Das beim Merlin 1C und Merlin 1D eingesetzte Kerosin wird durch flüssiges Methan ersetzt und die Nebenstromtechnik durch eine spezielle Variante der Hauptstromtechnik, bei welcher der gesamte Treibstoff die Turbinen durchläuft. Dabei trägt er zu deren Kühlung bei, was die Lebensdauer des Triebwerks erhöhen sollte und zudem einen effizienteren Betrieb erlaubt. Methan besitzt dabei gegenüber Kerosin eine günstige Kühlungscharakteristik und hinterlässt weniger Rückstände in den zur schnellen Wiederverwendung gedachten Triebwerken. Gegenüber flüssigem Wasserstoff ist Methan weniger aggressiv gegenüber den Oberflächen der Tanks und Leitungen und erfordert eine erheblich weniger aufwändigere Kühlung (111 K statt 20 K). Alles in Allem sieht man bei SpaceX Methan als den geeigneteren Brennstoff an.

Beim Hauptstromtriebwerk wird ein Teil des Treibstoffes abgezweigt und bildet den Grundantrieb für die Turbinen. Das Gewicht des gesamten herabstürzenden Treibstoffes treibt diese aber zusätzlich an und erlaubt obendrein einen höheren Brennkammerdruck. Damit lässt sich der spezifische Impuls der austretenden Gase um 100 bis 200 m/s steigern.

Geplant ist nun ein Triebwerk mit einem Schub von 4,5 MN (Meganewton) und einem spezifischen Impuls von 3.150 m/s auf Meeresspiegelhöhe bzw. 3.560 m/s im Vakuum (gewichtsspezifischer Impuls: 321 s bzw. 363 s). Neun dieser Triebwerke sollen in einer etwa 10 Meter durchmessenden Raketenstufe zusammengefasst werden und gemeinsam mit einer zweiten Stufe mit nur einem Raptor-Triebwerk etwa 120 t Nutzlast in eine erdnahe Umlaufbahn transportieren können. Verwendet man drei Erststufen parallel, so ergäbe sich eine Nutzlast von etwa 380 t für erdnahe Orbits bzw. etwa 100 t zum Mars. Der Rote Planet ist erklärtes Ziel von SpaceX-Gründer Elon Musk, weshalb das Projekt auch die Bezeichnung Mars Colonial Transporter (MCT) erhielt.

Zusätzlich sollen alle Teile der Rakete wieder verwendbar ausgelegt sein. Unter anderem damit will man die Kosten im Zaum halten. Diesem Ziel dient auch die Verwendung von Methan als derzeit am häufigsten vorkommenden und billigstem Rohbrennstoff auf der Erde. Vorteile hat Methan aber auch im Hinblick auf das Reiseziel. Auf dem Mars ließe sich Methan durch verhältnismäßig einfache und lange bekannte chemische Prozesse aus Kohlenstoffdioxid, dem Hauptbestandteil der Marsatmosphäre, Wasser, was in gefrorener Form vermutlich überall oberflächennah auf dem Mars vorkommt und Energie. Dann ließen sich vor Ort die Treibstoffkomponenten Methan und Sauerstoff produzieren, wobei letzterer auch als Atemgas für die zukünftigen Kolonisten notwendig ist.

Tests für einzelne Teile des Raptor-Triebwerks am Teststand E-2 auf dem Stennis Space Center sind bereits für 2014 angekündigt. Im Augenblick arbeitet man an der Umrüstung des Teststandes auf Methan.

Falcon 9, Dragon und deren Missionen zur ISS bzw. den Transport kommerzieller Satelliten in Erdumlaufbahnen bieten derzeit zum Einen die Möglichkeit, mit dem bisher Erreichten Geld für die Entwicklung neuer Techniken zu erwirtschaften. Zum Anderen lassen sich damit aber auch später benötigte Komponenten und Methoden zur Wiederverwendung erproben. Beim vierten Flug eines Dragon-Raumschiffes zur Internationalen Raumstation, der in wenigen Tagen (Start geplant für den 16. März) ansteht, soll zum zweiten Mal versucht werden, die erste Stufe direkt über der Meeresoberfläche auf die Geschwindigkeit Null abzubremsen. Beim ersten Versuch hatte eine unerwartet aufgetretene, schnelle Rotation der Stufe Teile im Tank beschädigt, so dass die Treibstoffförderung aussetzte.

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