Quelle: ESA.

Proben, die Matthias zur Verfügung gestellt hat, und Tests, die er vor dem Start durchgeführt hat, dienen als Ausgangsbasis für Ergebnisse im Weltraum. Viele der von Matthias unterstützten Humanexperimente erfordern dasselbe, wenn er zur Erde zurückkehrt. Dies ermöglicht den Forscherinnen und Forschern eine gründliche Analyse der Auswirkungen der Schwerelosigkeit und ein besseres Verständnis der Auswirkungen eines Langzeit-Raumflugs auf den menschlichen Körper.

Humanexperimente – alt und neu
Einige Namen der Humanexperimente, an denen Matthias mitwirkt, klingen vielleicht noch bekannt: Kurz nach seiner Ankunft im Orbit führte er seine erste Versuchsreihe mit dem DLR-Experiment Myotones durch, das Alexander Gerst bereits im Rahmen der ESA-Mission Horizons im Jahr 2018 durchführte.

Mit einem Gerät, das ein wenig wie ein Tricorder aus Star Trek aussieht, misst Myotones die biochemischen Eigenschaften der Muskeln wie Muskeltonus, Steifheit und Elastizität während eines Langzeit-Raumflugs. Doch dieses Mal wurde das Experiment mit einer neuen DLR-Studie kombiniert, die unter der wissenschaftlichen Leitung des Zentrums für Weltraummedizin der Charité in Berlin und des Europäischen Astronautenzentrums (EAC) der ESA durchgeführt wird: EasyMotion.

EasyMotion nutzt einen EMS-Anzug (Elektro-Muskel-Stimulation), um die Muskulatur des Trägers beim Training zu aktivieren und so die körperliche Fitness im Weltraum zu optimieren. Die kombinierten Daten vor, während und nach dem Flug werden verwendet, um die physiologische Belastung der Astronautinnen und Astronauten zu verstehen, und könnten zu neuen Rehabilitationsbehandlungen auf der Erde beitragen.

Zu den anderen „Wearables“ beziehungsweise Technologien, die Matthias in den letzten 100 Tagen am Körper getragen hat, gehören ein Wärmesensor an seiner Stirn zur Überwachung seiner Kerntemperatur und seines zirkadianen Rhythmus für das Thermo-Mini-Experiment des DLR, ein Stirnband zur Überwachung der verschiedenen Schlafphasen und der Schlafeffizienz für das Experiment DREAMS der französischen Raumfahrtagentur CNES sowie eine Atemmaske und zwei Geräte an seiner Brust für das DLR-Experiment Metabolic Space. Die Metabolic-Space-Geräte überwachen die Herzfrequenz sowie den Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt, während ihr Träger auf dem CEVIS-Ergometer der Station trainiert. Ziel ist es, die kardiopulmonale Diagnostik zu verbessern und die Leistung im Weltraum besser zu beurteilen, ohne die Mobilität einzuschränken.

Eine ausgewogene Ernährung ist ein weiterer wichtiger Aspekt für die Erhaltung der Gesundheit im Weltraum. Das bereits bekannte Experiment „Nutrition Monitoring for the International Space Station“ (NutrISS)  der italienischen Weltraumagentur ASI hat Matthias dabei unterstützt, seine Energiezufuhr zu verfolgen und anzupassen.

Mit einer speziellen Waage misst Matthias seine Körperzusammensetzung und -masse in der Schwerelosigkeit. Diese Daten zusammen mit den Ernährungsinformationen, die über die von der französischen Raumfahrtagentur CNES in Zusammenarbeit mit den Weltraummedizinerinnen und -medizinern von MEDES entwickelte Everywear-App bereitgestellt werden, ermöglichen es den Spezialistinnen und Spezialisten am Boden, seine Ernährung zu überwachen und bei Bedarf Empfehlungen zu geben.

Als Augen und Ohren Europas im Weltraum standen natürlich auch Matthias‘ Seh- und Hörvermögen im Fokus. Matthias und seine NASA-Crewkollegen Thomas Marshburn und Raja Chari haben ihre Augen für Retinal Diagnostics zur Verfügung gestellt – ein ESA/DLR Experiment, bei dem ein KI-Modell zur Diagnose von Veränderungen des Sehnervs bei längeren Aufenthalten im Weltraum untersucht und entwickelt wird. Matthias hat auch sein Gehör im Rahmen des ASI-Experiments Acoustic Diagnostics getestet. Bei diesem Experiment werden die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf das Gehör einer Astronautin oder eines Astronauten untersucht, indem Kopfhörer mit einem speziellen Messgerät verwendet werden, das die Reaktion des Ohrs auf Schall überwacht.

Berührende Angelegenheiten
„Gründliches und häufiges Händewaschen“ sind zu Schlagwörtern im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie geworden. Denn Mikroorganismen lassen sich leicht über gewöhnliche Oberflächen wie Türklinken und Lichtschalter verbreiten, und das gilt auch für den Weltraum.

In der Kubik-Anlage, einem temperaturgesteuerten Inkubator zur Untersuchung biologischer Proben im europäischen Columbus-Modul der ISS, wurde in einem DLR-Experiment mit dem Namen Biofilms das Wachstum von Bakterien wie dem mit der menschlichen Haut assoziierten Bakterium Staphylococcus capitis untersucht.

Bei einem weiteren DLR-Experiment mit der Bezeichnung „Touching Surfaces“ wird eine Reihe von fünf Plättchen aus verschiedenen Materialien der Innenumgebung der Raumstation ausgesetzt. Matthias und seine Astronautenkolleginnen und -kollegen wurden aufgefordert, diese Plättchen häufig zu berühren, bevor sie zur Analyse auf die Erde zurückgebracht werden.

Die Handhabung von Objekten in der Schwerelosigkeit
Während seine NASA-Kollegin und -kollege Kayla Barron und Raja Chari die europäischen Experimente Grip und Grasp unterstützten, widmete Matthias sich dem CNES-Experiment Ultrasonic Tweezers. Dieses Experiment zielt darauf ab, Objekte oder Flüssigkeiten mit der Kraft von Schall zu bewegen, zu bearbeiten und zu untersuchen, ohne jemals mit ihnen in Kontakt zu kommen.

Eine akustische Pinzette verwendet Ultraschall zum Einfangen von Objekten. Durch die Bewegung des Schallstrahls ist es möglich, ein Objekt mit großer Präzision zu bewegen. Das Experiment „Ultrasonic tweezers“ untersucht, wie diese Technik in der Schwerelosigkeit eingesetzt werden kann, um kleine Plastik- oder Glasmurmeln einzufangen und sie durch einen Hindernisparcours zu bewegen. Wenn das Experiment erfolgreich verläuft, soll es auf der Raumstation bleiben und von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und Astronautinnen und Astronauten genutzt werden, um andere Materialien, Gele und Flüssigkeiten und sogar gefährliche Materialien oder biologisches Material ohne Kontaminationsgefahr zu untersuchen.

Der Vorläufer von „gedruckter“ Haut
Das Bioprint-First-Aid-Experiment des DLR könnte dazu führen, dass Astronautinnen und Astronauten bei Missionen fern der Erde Pflaster aus ihren eigenen Hautzellen drucken. Matthias startete jedoch zunächst mit fluoreszierenden Mikropartikeln in Kombination mit zwei schnell aushärtenden Gelen.

Mit einem tragbaren Biodrucker druckte Matthias gipsähnliche Wundabdeckungen auf seine mit Folie bedeckten Gliedmaßen. Diese Abdeckungen werden dann zur Erde zurückgeschickt, wo sie analysiert und getestet werden, um die Technologie für den Weltraum weiter zu verfeinern.

Altern im Weltraum
Zurück im Kubik-Minilabor und nach einer neuen Lieferung vorweihnachtlicher wissenschaftlicher Experimente hat Matthias synthetische Muskelzellen von der Größe eines Reiskorns für die Inkubation bei 37 °C vorbereitet. Einige dieser Zellen wurden elektrisch stimuliert, um Kontraktionen in der Schwerelosigkeit auszulösen, während andere durch Zentrifugation der künstlichen Schwerkraft für ein Experiment der britischen Weltraumbehörde, UK Space Agency, namens Microage ausgesetzt wurden.

Die Zellen kehrten mit dem Cargo Dragon 24 zur Analyse auf die Erde zurück. Die Erkenntnisse aus diesem Experiment könnten eines Tages dazu beitragen, dass Menschen ihre Kraft und Beweglichkeit bis ins hohe Alter besser erhalten können, da die Forscherinnen und Forscher besser verstehen, wie sich Muskeln abbauen.

Konkrete Ergebnisse
Matthias hat seinem Nachnamen alle Ehre gemacht, indem er im Weltraum Betonproben anrührte.

Mit dem DLR-Experiment MASON/Concrete Hardening soll untersucht werden, wie verschiedene Betonmischungen aus Zement und Sand oder simuliertem Mondstaub in Kombination mit Wasser und verschiedenen Zusatzstoffen in der Schwerelosigkeit aushärten. Diese Erkenntnisse werden zur Entwicklung neuer, verbesserter Betonmischungen für den Bau von Habitaten auf dem Mond, dem Mars und von nachhaltigem Wohnraum auf der Erde beitragen.

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• Matthias Maurer auf ISS Expedition 66-67

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Quelle: DLR.

27. August 2021 – „Für uns ist diese Versorgungsmission besonders wichtig, weil acht deutsche Experimente mit SpaceX-CRS 23 zur ISS fliegen, mit denen Matthias Maurer während seiner Mission arbeiten wird“, erklärt Volker Schmid, ISS-Fachgruppenleiter und „Cosmic Kiss“-Missionsleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn. „An Bord sind fünf wissenschaftliche Experimente aus den Bereichen Medizin, Materialwissenschaften und Physik und zudem drei Experimente aus dem Bereich Nachwuchs- und Schulprojekte.“

Hier die vom DLR beigestellten Experimente von SpaceX-CRS 23 auf einen Blick:

Thermo Mini – Körperkerntemperatur überwachen

Mit dem Thermo-Mini-System können Wissenschaftler kontinuierlich die Körperkerntemperatur von Astronautinnen und Astronauten aufzeichnen. Denn der Aufenthalt im All und dortige Aktivitäten führen zu einem signifikanten Anstieg der Körperkerntemperatur. Die genauen Ursachen hierfür sind bislang unbekannt. Der Temperaturanstieg stellt eine potenzielle Gefahr dar. Thermo-Mini besteht aus Sensoren und einem Stirnband, das einfach getragen werden kann und kontinuierlich die Körperkerntemperatur beobachtet. Während der 36. DLR-Parabelflugkampagne im Juni 2021 wurde das Thermo-Mini-Modell für seinen Einsatz in Schwerelosigkeit getestet. Wissenschaftlicher Hauptpartner bei Thermo-Mini ist die Charité Universitätsmedizin in Berlin, Industriepartner sind die KORA GmbH und die Dräger GmbH, die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR stellt die Hardware.

Retinal Diagnostics – Veränderungen der Sehnerven erkennen

Zu den Technologietests, die Matthias Maurer während seiner Mission auf der ISS durchführen wird, gehört das Technologietransferprojekt „Retinal Diagnostics“, bei dem aus der Forschung des DLR-Institutes für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln eine mobile, KI-gestützte Diagnostik zur Augengesundheit von Astronautinnen und Astronauten entwickelt wird. Veränderungen an den Sehnerven sind eine der schwerwiegendsten Beeinträchtigungen, die durch Schwerelosigkeit auftreten können. Die Untersuchungen sind aber auch für die neurologische Notfallmedizin auf der Erde bedeutsam. Bei dem Einsatz auf der ISS soll daher zur Vorsorge und Diagnostik der Sehnervenkopf mithilfe von Aufnahmen mit einer sehr kleinen, leichten Kamera vermessen werden. So sollen Veränderungen nachverfolgt, aber auch der Erfolg eingesetzter Gegenmaßnahmen ermittelt werden. Zukünftig soll das Gerät mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz selbsttätig feststellen können, ob entsprechende Veränderungen am Auge vorliegen. Die Lösung dieses Problems ist von entscheidender Bedeutung für künftige Mond- und Marsmissionen. Beteiligte sind das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, das DLR Technologiemarketing und das Europäische Astronautenzentrum EAC in Köln.

MetabolicSpace – Atemgas-Analyse zeigt Leistungsfähigkeit

Ziel von MetabolicSpace, einem industriemotivierten Experiment, ist die Entwicklung eines persönlichen, smarten, am Körper tragbaren Atemgas-Analyse-Systems, das die Beweglichkeit nicht einschränkt. Es soll einfach bedienbar sein, Daten automatisch auswerten und die körperliche Leistungsfähigkeit feststellen. Hierzu wird ein kardiovaskuläres Belastungsprofil entwickelt, so dass Astronautinnen und Astronauten nicht an ihrer Belastungsgrenze trainieren müssen.

Die bisherigen Systeme bestehen aus einem Maskensystem, welches am Kopf oder an einem Gestänge befestigt ist. Über Schläuche werden die Gase zu einer externen Einheit abgesaugt und in dieser durch verschiedene Sensoren analysiert. Die Schläuche zwischen Maske und externer Einheit erlauben dabei kein frei bewegliches Training und das Leistungsverhalten wird verfälscht. Verfahren zur automatischen Datenauswertung mit Selbstdiagnosefunktion und einfach verständlicher Anzeige, insbesondere für den nicht medizinischen Sportbereich, werden am Markt bisher nicht angeboten.
Die Erkenntnisse können auch für Leistungssportler genutzt werden. Partner sind das Institut für Luft- und Raumfahrttechnik der Technischen Universität Dresden und die CORTEX Biophysik GmbH, Leipzig.

Touching Surfaces – antimikrobielle Oberflächen im Test

Langzeitaufenthalte von Astronautinnen und Astronauten in einer Raumstation führen dazu, dass sich aus den mitgeschleppten Mikroorganismen eine eigene Mikroflora entwickelt. Dies kann Auswirkungen auf die Gesundheit der Astronauten haben – insbesondere, wenn sich die Zusammensetzung der Mikroflora unter den Bedingungen des Weltraumfluges verändert. Zudem hat sich gezeigt, dass entstehende Biofilme sogar zu Materialschäden führen können. Bei „Touching Surfaces“ werden neuartige Oberflächen auf deren antimikrobielle Wirksamkeit unter Weltraumbedingungen untersucht und getestet. Solche „bioziden“ Oberflächen können zukünftige Maßnahmen zur Kabinenhygiene im All und auf der Erde maßgeblich unterstützen. Diese neuen Oberflächen können in allen Bereichen eingesetzt werden, wo antibakterielle Hygiene eine Rolle spielt. Beteiligte sind das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, die Universität des Saarlandes, das University College London und die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg.

BIOFILMS – Entstehung bakterieller Biofilme verstehen

Mit dem Experiment BIOFILMS werden auf der ISS neuartige, antimikrobielle metallische Oberflächen auf die Bildung von bakteriellen Biofilmen hin untersucht. Mittels Laser-Technologie wurden vorbereitend Nano-Strukturen auf verschiedenen Oberflächen erzeugt, die verhindern, dass sich Bakterien auf den Oberflächen ansiedeln sollen. Ziel ist es, unter Weltraumbedingungen die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Oberflächen und den Bakterien/Biofilmen zu analysieren. Übergeordnetes Ziel ist die Eindämmung der Kontamination mit Mikroorganismen in der Raumfahrt und die Verhinderung von Materialschädigungen. Diese Verfahren dienen dem grundlegenden Verständnis der Bildung von Biofilmen und können auch eine Rolle bei der Reduktion von Keimbelastungen beispielsweise in Krankenhäusern oder in der Industrie spielen.

Partner sind die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR, das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, die Universität des Saarlandes und die ESA.

Nationale Grundschulaktion „Space Seeds II – Weltraumblumen beobachten“

Bei der Mitmach-Aktion „Space Seeds II“ forschen Grundschulkinder mit Wildblumensamen, die mit SpaceX-CRS-23 zur ISS fliegen und nach der Cosmic Kiss-Mission wieder zur Erde zurückkehren. Wie haben die Samen die Reise ins All überstanden? Dazu findet ein Schulwettbewerb im Schuljahr 2022/23 statt. Teilnehmen dürfen Grundschulkinder der dritten und vierten Klassen. Die Klassen erhalten neben begleitendem Unterrichtsmaterial die „Space Seeds“ aus dem All und Vergleichssamen zum Aussäen und Beobachten. Kinder werden so selber zu Forschenden und gleichzeitig sensibilisiert für das Thema Biodiversität und den Schutz unseres einmaligen Planeten. Beteiligte Partner sind die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR, die Rieger-Hofmann GmbH und das BioTESC an der Universität Luzern (Schweiz).

Einmal Weltraum und zurück – über 1.000 Kinder „umkreisen“ die Erde an Bord der ISS

„Hand in Hand um die Welt“ – unter diesem Titel hatte das DLR im Herbst 2020 zu einer großen Mitmach-Aktion aufgerufen. Hierbei haben trotz der schwierigen Corona-Rahmenbedingungen in den Schulen über 1.000 Grundschulkinder ab der 3. Klasse ihr eigenes „Klassen-Selfie“ gemalt. Dabei mussten sich alle Kinder so zeichnen, dass sie sich in einer langen Reihe die Hände geben, so dass aus den 30 Gewinner-Bildern auf einem zehn Meter langen Textilstreifen zusammengefügt eine Menschenkette entsteht. Dieser Textilstreifen fliegt jetzt ebenso an Bord von SpaceX CRS-23 zur Internationalen Raumstation ISS. Aber auch alle anderen Kinder, die mitgemacht haben, sind Gewinner: Denn auch ihre Bilder werden mit an Bord der ISS sein – und zwar in digitaler Form auf einem USB-Stick gespeichert. Beteiligte: DLR-Standort Braunschweig, Ausbildung Feinwerkmechaniker und DLR_School_Lab

Dzhanibekov-Experiment – Faszination Rotation in Schwerelosigkeit

Ein verblüffender Effekt, den schon der Kosmonaut Dzhanibekov 1985 im All bemerkte, wird bei diesem Experiment genauer untersucht – und zwar mit verschiedenen Duplo-Figuren. Es geht dabei um die seltsame Taumelbewegung eines mehrachsigen Objektes. Dabei wechselt sich die scheinbar stabile Rotation plötzlich mit einem schnellen Wenden und Kippen der Drehachse ab. Der Versuch wird auch dazu genutzt, Jugendliche für die oftmals überraschende „Welt der Physik“ zu begeistern. Partner sind die Wilhelm-Löhe-Schule in Nürnberg, das DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum und ESA Education.

Weitere Experimente der „Cosmic Kiss“-Mission werden im November mit dem Start von Matthias Maurer zur ISS gebracht sowie mit dem nachfolgenden Versorgungsflug SpaceX CRS-24, der voraussichtlich im Dezember 2021 startet.

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