Quelle: DLR 17. Januar 2024.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Axiom-3 auf Crew-Dragon zur ISS

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Quelle: DLR 8. Januar 2024.

8. Januar 2024 – Ein Strahlungsmessgerät des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist unterwegs Richtung Mond: Der Strahlungsdetektor M-42 befindet sich an Bord der kommerziellen Astrobotic Peregrine Mission One, die am 8. Januar 2024 mit dem Erstflug der United Launch Alliance (ULA) Vulcan VC2S-Rakete von Cape Canaveral (USA) gestartet ist. Geplant ist, dass der Peregrine Lander im Nordwesten des Mondes aufsetzt. M-42 wird von der Mondoberfläche aus Strahlungswerte zur Erde senden, aber auch schon auf seiner Reise zum Mond die Strahlungsdosis im freien Weltraum bestimmen.

Die Strahlenbelastung auf dem Mond ist rund 800 Mal höher als auf der Erde, wo das Magnetfeld und die Erdatmosphäre wie ein Schutzschild gegen die kosmische Strahlung wirken. Ein Langzeitaufenthalt auf dem Mond würde deswegen eine hohe Belastung für den menschlichen Körper bedeuten. Um weitere Informationen für künftige astronautische Mond-Missionen zu sammeln und entsprechende Schutzmaßnahmen entwickeln zu können, soll M-42 nun Werte aus der ungeschützten, freien Mondumgebung liefern. Der Strahlungsdetektor, der im DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin entwickelt wurde, ist etwa 20 Zentimeter lang und wiegt 250 Gramm. Er ist identisch mit 16 Strahlungsmessgeräten, die in die „Mond-Astronautinnen“ Helga und Zohar verbaut waren. Die beiden Messpuppen haben mit der NASA-Mission Artemis I bereits im November und Dezember 2022 den Mond umrundet. Die Ergebnisse von insgesamt tausenden passiven Detektoren, die sich in den beiden „Luna-Twins“ befanden, werden aktuell noch im DLR analysiert. Die Ergebnisse werden im Frühjahr 2024 vorliegen.

„Die Strahlungswerte, die wir durch die Peregrine Mission One erwarten, können unsere bisherigen Erkenntnisse ergänzen. Es gibt bislang nicht viele Messdaten zur galaktischen kosmischen Strahlung, die direkt von der Mondoberfläche stammen. Wir sind sehr stolz, Teil dieser Mission zu sein“, sagt Projektleiter Dr. Thomas Berger vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln. Das DLR hat sich bereits vor zweieinhalb Jahren einen Platz auf dem Peregrine-Lander gesichert und neue Instrumente der M-42-Detektorfamilie sind derzeit in der Entwicklung.

M-42 ist auf einer Seitenklappe des Peregrine-Landers der Strahlung ausgesetzt
Die Peregrine Mission One ist die erste kommerzielle Mond-Mission des US-Raumfahrtunternehmens Astrobotic. Neben dem DLR schicken die amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde NASA, weitere Raumfahrtorganisationen und Unternehmen Nutzlasten Richtung Mond. Der von Astrobotic entwickelte Peregrine-Lander ist etwa 1,90 Meter hoch und hat einen Durchmesser von 2,50 Metern. Der M-42 Strahlungsdetektor ist auf einer Seitenklappe befestigt und knapp über der Oberfläche direkt der kosmischen Strahlung auf dem Mond ausgesetzt.

Ursprünglich sollte Peregrine den Lacus Mortis („See des Todes“) auf der Mondvorderseite ansteuern. Anfang 2023 hat die NASA angekündigt, dass der Lander nicht im Nordosten, sondern weiter westlich in der Nähe der Gruithuisen-Vulkankuppeln ankommen soll. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erhoffen sich neue Erkenntnisse zu einem geologischen Rätsel in dieser Mondregion: Es wird vermutet, dass die Gruithuisen Vulkankuppeln – zwei Erhebungen am Rand des Oceanus Procellarum („Ozean der Stürme“) – durch ein zähes, kaum fließfähiges kieselsäurereiches Magma entstanden sind. In seiner Zusammensetzung ähnelt es wohl dem irdischen Granit oder dessen vulkanischem Pendent, dem Gestein Rhyolith. Auf der Erde benötigen solche Formationen einen hohen Wassergehalt und Plattentektonik, um sich zu bilden. Da beides auf dem Mond fehlt, fragen sich die Forschenden, wie die Kuppeln („Domes“) entstanden sind und sich über die Zeit verändert haben.

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• DLR

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Quelle: DLR 9. März 2023.

9. März 2023 – Nach ihrer historischen Reise um den Mond mit der NASA-Mission Artemis I sind die Strahlungsmesspuppen Helga und Zohar zurück in Köln. Am 9. März 2023 präsentierte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die beiden Astronautinnen-Phantome nun erstmals den Medien am Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. Die Daten des vom DLR geleiteten Projekts MARE (MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment) werden nach ihrer Auswertung ein dreidimensionales Abbild der Strahlenbelastung des weiblichen Körpers während eines Mondfluges liefern. Die Forschungsergebnisse fließen auch in irdische Anwendungen.

„Die astronautische Raumfahrt entwickelt sich rasant. Zukünftig werden voraussichtlich auch kommerzielle Raumstationen in niedrigen Erd-Orbits entstehen auf denen Menschen forschen und arbeiten. Gleichzeitig wird die astronautische Exploration des Weltraums zum Mond und darüber hinaus an Fahrt aufnehmen“, sagt die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla. „Die Strahlenbelastung ist dabei eine der zentralen ungelösten medizinischen Herausforderungen der astronautischen Raumfahrt. Diese müssen wir genauer verstehen, um wirksame Maßnahmen zum Schutz von Menschen im Weltraum zu entwickeln. Hier hat das Projekt MARE im Rahmen der Mondmission Artemis I echte Pionierarbeit geleistet, insbesondere mit dem Fokus auf zukünftige Mond-Astronautinnen.“

Scheibe für Scheibe analysieren
Mit der Übergabe der beiden Messpuppen am Kennedy Space Center der NASA im Januar erfolgte bereits der erste Check aller batteriebetriebenen Messinstrumente. „Die aktiven Strahlungsdetektoren haben durchgehend erstklassige Daten geliefert“, freut sich MARE-Projektleiter Dr. Thomas Berger vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. Am DLR-Institut in Köln beginnt nun die Auswertung der über 12.000 passiven Strahlungsdetektoren aus kleinen Kristallen, die jeweils über die beiden Messkörper verteilt platziert sind. Mit dem Auslesen der Kristalle entsteht ein dreidimensionales Abbild des menschlichen Körpers, das zeigt, wie hoch die Strahlenbelastung auf Knochen und Organe an unterschiedlichen Stellen während eines Mondflugs insgesamt ist. „Scheibe für Scheibe nehmen wir Helga und Zohar auseinander, um die Messkristalle auszubauen“, erklärt Berger das Vorgehen. „Die einzelnen Messkristalle können wir dann mithilfe der passenden Laborgeräte hier am DLR auslesen.“

Die beiden Messkörper sind weiblichen Körpern samt Fortpflanzungsorganen nachempfunden, sodass die Strahlungsdosis auch für die besonders strahlungsempfindlichen Organe gemessen werden kann. Die Astronautinnen-Phantome bestehen aus jeweils 38 Scheiben, sind 95 Zentimeter groß, 36 Kilogramm schwer und enthalten aus Kunststoff nachgebildete Organe und Knochen unterschiedlicher Dichte.

Weste für den Strahlenschutz
Zusätzlich wird untersucht wie viel Strahlungsabschirmung die von Zohar getragene Strahlungsschutzweste ermöglichte. Zohar, bereitgestellt von der israelische Raumfahrtagentur ISA, wiegt mit der AstroRad-Weste der Firma StemRad ganze 62 Kilogramm. „Der Vergleich der Strahlungswerte von Helga ohne Weste und Zohar mit Schutzweste zeigt uns, welche Abschirmungswirkung die Weste entfalten kann“, erklärt Berger weiter.

Die umfangreichen Auswertungen werden nun einige Monate in Anspruch nehmen. Mit detaillierten Ergebnissen ist bis Anfang kommenden Jahres zu rechnen. „Schon jetzt sehen wir, dass sich einige unserer Annahmen zur Strahlungsexposition bei Mondreisen bestätigen“, sagt Berger. „Wir benötigen nun alle verfügbaren Messdaten, um detailliertere Aussagen treffen zu können.“

Absehbar ist bereits die Überführung der Forschungsergebnisse in irdische Anwendungen. Ein „Spin Off“ wurde am DLR bereits im Rahmen eines Vorgängerprojekts durchgeführt. In diesem Projekt war ab 2004 ein Phantom namens MATROSHKA für eineinhalb Jahre der Weltraumstrahlung außerhalb der Internationalen Raumstation ISS ausgesetzt, es folgten weitere drei Jahre im Inneren der Raumstation. Ein Zwilling dieses Weltraumphantoms wurde in Zusammenarbeit mit der GSI in Darmstadt für Grundlagenforschung im Rahmen der Krebstherapie verwendet. Im Weiteren wurden gemeinsam mit der israelischen Firma StemRad, die in Kooperation mit Lockheed Martin die AstroRad-Weste entwickelt hat, Forschungen bezüglich der Anwendung und Sicherheit von „X-Ray Protection Equipment“ für Radiologen und Mitarbeitende im Krankenhaus durchgeführt. Dies zielt insbesondere in Richtung verbesserter Schutzkleidung für den Operateur im routinediagnostischen Einsatz und bei längerdauernden komplizierten Eingriffen.

Auf zum Mond mit Artemis
Artemis I ist die erste in einer Reihe von Missionen des Artemis-Programms der NASA. Es sieht vor, nach mehr als 50 Jahren wieder Menschen auf unserem Trabanten zu landen, dort gemeinsam mit internationalen Partnern eine dauerhafte Basis zu errichten und eine Raumstation in der Mondumlaufbahn zu bauen, von der aus Menschen zu weiter entfernten Zielen, einschließlich des Mars, aufbrechen sollen. Artemis I war der erste Schritt auf diesem Weg. Bei dieser noch unbemannten Mission wurden alle neu entwickelten Systeme im Zusammenspiel getestet – das Orion-Raumschiff, das Europäische Servicemodul (ESM), die Schwerlastrakete SLS (Space Launch System) und die Bodensysteme. Die Sicherheit der Astronautinnen und Astronauten steht dabei an oberster Stelle. Dazu gehört insbesondere der Schutz vor der kosmischen Strahlung, die im Weltraum um ein Vielfaches höher ist als auf der Erde – auf dem Mond zum Beispiel rund 800 Mal. Um künftig geeignete Schutzmaßnahmen bei Langzeitmissionen ergreifen zu können, muss man die Strahlenbelastung genau kennen. Das wurde bei Artemis I mit dem Experiment MARE erforscht.

Das MARE-Experiment
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) leitet das Experiment. Hauptprojektpartner sind die israelische Raumfahrtagentur ISA, der israelische Industriepartner StemRad, der die AstroRad-Schutzweste entwickelt hat, sowie Lockheed Martin und die NASA. MARE stellt in seiner Komplexität und in seiner internationalen Zusammenarbeit mit zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Europa, Japan und den USA das größte Experiment zur Bestimmung der Strahlenbelastung für Astronautinnen und Astronauten dar, das jemals den erdnahen Orbit verlassen hat. Mehr als 25 Tage Flug zum Mond, im Mondorbit und zurück zur Erde liegen hinter den #LunarTwins. Die während Artemis I durchgeführten Messungen liefern wertvolle Daten zur Risikobewertung und -minderung für künftige Erkundungsmissionen.

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• Artemis I Mission – Orion auf SLS

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Quelle: DLR.

27. April 2022 – Die NASA wird 2022 mit der Mission Artemis I nach fast 50 Jahren erstmals wieder ein Raumschiff zum Mond schicken. Nun sind die ersten beiden Passagiere Helga und Zohar auf dem Weg zur NASA nach Florida. Für den unbemannten Testflug werden die „Messpuppen-Zwillinge“ im Cockpit der Orion-Kapsel sitzen. Das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleitete MARE Experiment untersucht mit zwei baugleichen Phantomen die Strahlenbelastung während des gesamten bis zu sechswöchigen Fluges, speziell zugeschnitten auf den weiblichen Körper. Denn die NASA plant mit den Artemis-Flügen die erste Frau zum Mond zu schicken. Forschende des Kölner DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin haben das Experiment erfolgreich vorbereitet und für den Einbau am Kennedy Space Center (KSC) der NASA nun ausgeliefert. Teil des Experiments ist auch eine Strahlenschutzweste, die erprobt wird. Der Start von Artemis I ist derzeit für den Sommer 2022 geplant. Der Aufbau und Einbau der Messpuppen soll rund vier Wochen vor dem eigentlichen Start beginnen.

Außerhalb des schützenden Erdmagnetfelds ist die Strahlenbelastung für den menschlichen Organismus deutlich erhöht. Der weibliche Körper reagiert darauf wegen strahlungsempfindlicher Organe wie der weiblichen Brust noch empfindlicher als der männliche Körper. Insgesamt ist die Strahlung eine der größten Herausforderungen für längere astronautische Missionen ins tiefere Weltall bis hin zum Mars. „Mit MARE, dem größten je außerhalb der Erdumlaufbahn geflogenen Strahlungsexperiment, wollen wir herausfinden, wie genau sich die Strahlungswerte während eines vollständigen Mondfluges für Astronautinnen verhalten und welche Strahlenschutzmaßnahmen dagegen hilfreich sein können“, sagt Dr. Thomas Berger, Leiter der Arbeitsgruppe Biophysik in der Abteilung Strahlenbiologie am DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. „In den vergangenen Wochen und Monaten haben wir Helga und Zohar an den DLR-Standorten in Köln und Bremen vollständig durchgecheckt unter anderem mit Tests zu Auswirkungen der Vibrationen beim Start der Mission Artemis I. Weiterhin haben wir einen vollständigen Testlauf des Aufbaus der Messpuppen durchgeführt, damit später am Kennedy Space Center alles reibungslos verläuft.“

Die „Messpuppen-Zwillinge“ sind weiblichen Körpern nachempfunden. Frauen haben ein allgemein höheres Krebsrisiko und darum gelten für Astronautinnen stets andere Strahlungsgrenzwerte als für ihre männlichen Kollegen. Geschlechtsspezifische Messungen mit Phantomen im All gab es bislang nicht. „Genauer sind beide Puppen aus Materialien hergestellt, die die menschlichen Knochen, Weichteile und Organe einer erwachsenen Frau nachahmen. Mehr als 10.000 passive Sensoren und 34 aktive Strahlungsdetektoren sind in die 38 Scheiben integriert, aus denen die Puppen zusammengesetzt sind“, erklärt MARE-Projektleiter Dr. Thomas Berger. Beide Phantome sind 95 Zentimeter groß und 36 Kilogramm schwer. Eine von ihnen – Helga – fliegt ungeschützt zum Mond, die andere – Zohar – trägt eine neu entwickelte Strahlenschutzweste, AstroRad genannt. Im Vergleich der beiden Datensätze lässt sich dann ermitteln, in welchem Ausmaß die von israelischen Partnern entwickelte Weste eine Astronautin vor schädlicher Strahlenbelastung schützen würde.

Kosmische Strahlung im All
Die Erdatmosphäre und die Abschirmung des Erdmagnetfelds schützen uns vor dem größten Teil der Strahlung im Universum, einschließlich der Strahlung unserer Sonne. Wenn Astronauten die Erde verlassen, sind sie dem gesamten Spektrum der im Weltraum vorhandenen Strahlung ausgesetzt. Das Orion-Raumschiff wird in den ersten Stunden nach dem Start und bei der Rückkehr zur Erde zwei Perioden intensiver Strahlung durchlaufen, wenn es durch die Van-Allen-Gürtel fliegt, welche die vom Magnetfeld der Erde eingefangene Weltraumstrahlung beherbergen.

Wenn Orion über den Schutz des Erdmagnetfelds hinausfliegt, wird es einer härteren Strahlungsumgebung ausgesetzt sein als die Besatzung der Internationalen Raumstation ISS in der erdnahen Umlaufbahn. Außerhalb der Van-Allen-Gürtel umfasst die Strahlungsumgebung im Weltraum energetische Teilchen, die von der Sonne bei Sonneneruptionen erzeugt werden, sowie Teilchen der galaktischen und extragalaktischen kosmischen Strahlung, die von außerhalb unseres Sonnensystems kommen. „Die kosmische Strahlung ist eine besondere Herausforderung bei längeren Missionen im freien Weltraum, denn sie sorgt fortwährend für ein gewisses Level an energiereichen ionisierten Teilchen“, erklärt PD Dr. Christine Hellweg, Leiterin der Abteilung Strahlenbiologie am DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. „Die Vielfalt der Teilchen in der kosmischen Strahlung reicht von Wasserstoff bis Eisen und weiter bis zum Uran.“

Anthropomorphe Phantome messen Strahlung
Helga und Zohar sind sogenannte anthropomorphe Phantome, dem menschlichen Torso nachempfundene Messkörper. Mit ihnen hat das DLR bereits viel Erfahrung: Zuletzt war ein Phantom, genannt Matroshka, des Kölner DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin zwischen 2004 und 2011 auf der ISS im Einsatz. Außen auf der ISS angebracht, sammelte das Phantom Strahlungswerte eines Astronauten, der einen Weltraumspaziergang absolviert. Außerdem hielt sich das Phantom in verschiedenen Teilen der Raumstation auf, um die Strahlenbelastung zu messen. „Die Astronautinnen und Astronauten auf der Station sind einer Strahlenbelastung ausgesetzt, die etwa 250-mal höher ist als die der Menschen auf der Erde – in Köln. In größerer Entfernung vom Erdmagnetfeld und im interplanetaren Raum könnte die Strahlenbelastung bei Erkundungsmissionen noch viel höher sein – schätzungsweise bis zu 700 Mal höher“, erklärt Berger.

Über das Experiment MARE
Das Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) leitet das Experiment MARE. Hauptprojektpartner sind die israelische Raumfahrtagentur ISA, der israelische Industriepartner StemRad, der die AstroRad-Schutzweste entwickelt hat, sowie Lockheed Martin und die NASA. MARE stellt in seiner Komplexität und in seiner internationalen Zusammenarbeit mit zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Europa, Japan und den USA das größte Experiment zur Bestimmung der Strahlenbelastung für Astronautinnen und Astronauten dar, das jemals den erdnahen Orbit verlassen hat. Es liefert grundlegende Daten zur Abschätzung des Strahlenrisikos für die kommenden bemannten Flüge zum Mond.

USA und Europa fliegen mit Artemis zum Mond
Ziel der NASA-Mission Artemis I ist der erste zunächst unbemannte Raumflug der Orion-Kapsel zum Mond, ihn zu umrunden und zur Erde zurückzukehren. Dabei wird die Kapsel durch das European Service Module (ESM) angetrieben und versorgt, das mit deutscher Technologie hauptverantwortlich am Standort Bremen gebaut wurde. Die Flugzeit wird zwischen 26 und 42 Tagen betragen. Dabei ist das Experiment MARE als sogenannte secondary oder scientific payload dabei. Das bedeutet, beide Phantome müssen autark vom Raumschiff funktionieren. Von der Stromversorgung bis zur Datenspeicherung – alle Funktionen werden vollkommen unabhängig vom Orion-Schiff sein. Das neue Mond-Programm der NASA wurde in Anspielung auf die Apollo-Missionen Artemis benannt. Artemis ist in der griechischen Mythologie die Mondgöttin und Zwillingsschwester Apollons.

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• Artemis I Mission – Orion auf SLS

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Erstellt von Viktoria Schöneich. Quelle: NASA

Junos Reise begann vor fast fünf Jahren am 5. August 2011 mit dem Start auf einer Atlas V551. Dieser Träger besitzt 5 Feststoffbooster als Starthilfe sowie eine wiederzündbare Centaur-Oberstufe, mit der der Einschuss in die Transferbahn zu Jupiter vorgenommen wurde. Kurz nach dem Start wurden die Instrumente der Raumsonde überprüft sowie erste Kurskorrekturen vorgenommen. Ein gutes Jahr nach dem Start wurden schließlich zwei längere Bahnmanöver durchgeführt, die jeweils etwa 30 Minuten dauerten und die Flugbahn korrigierten. Im Oktober wurde Juno mittels eines Swing-By Manövers an der Erde auf ihre Endgeschwindigkeit beschleunigt und auf Jupiterkurs gebracht.

Für den Einschuss in die Jupiterumlaufbahn wurden neben den wissenschaftlichen Instrumenten auch einige Softwarefeatures deaktiviert, um einem plötzlichen Neustart oder anderen Anomalien während dieser kritischen Phase vorzubeugen. Einige Minuten vor dem Einschuss wurde die Nutationsrate (Nickbewegung) gedämpft und das Raumschiff von zwei auf fünf Umdrehung pro Minute aufgespint, um die Lagestabilität zu verbessern. Die Triebwerkszündung selber nahm 35 Minuten in Anspruch und wurde mit dem Deep Space Network der NASA überwacht, das die Signale nach etwa 48 Minuten empfing.

Nun befindet sich Juno in einem Capture Orbit, den sie bis zum 14. Oktober beibehalten wird; in diesem Zeitraum werden zwei Jupiterumrundungen vollendet. Hier werden die wissenschaftlichen Instrumente wieder hochgefahren, getestet und kalibriert. Während des zweiten Orbits wird Junos Haupttriebwerk erneut für 22 Minuten zünden und die Raumsonde auf den Wissenschaftsorbit einschießen. Ab dem vierten Orbit, der am 16. November beginnen wird, soll die wissenschaftliche Arbeit aufgenommen werden.

Die Umweltbedingungen um den Gasriesen zeichnen sich insbesondere durch ein extremes Magnetfeld aus, das bis zu zwanzigmal stärker ist als das der Erde. Ähnlich wie unser Heimatplanet fängt das Magnetfeld geladene Teilchen vom Sonnenwind (und Jupiters Vulkanmond Io) ein und zwingt sie in Gürtel um den Planeten. Aus diesem Grunde ist eine Annäherung an Jupiter für die Elektronik einer Raumsonde sehr gefährlich. Auf der anderen Seite muss Juno, um die gewünschte Messgenauigkeit zu erzielen, so nah wie möglich an Jupiters Wolkendecke heranfliegen (auf 4200 km – 7900 km Entfernung am Perijovum, dem jupiternächsten Punkt). Die Wahl des Wissenschaftsorbits spiegelt diese Problematik.

Junos Orbit führt über die Jupiterpole, wo die Strahlenbelastung für die Raumsonde am geringsten ist. Da sich der Planet um die eigene Achse dreht, bekommt Juno im Laufe der Mission die ganze Planeten“oberfläche“ zu Gesicht. Ein weiterer Vorteil dieses Orbits ist, dass der Jupiter sich nicht zwischen der Sonde und der Sonne/Erde befindet, was für die Energieversorgung und Kommunikation von Bedeutung ist. Gleichzeitig ist der Orbit hochelliptisch; eine Umrundung dauert 14 Tage. Dadurch ist die Geschwindigkeit der Raumsonde umso größer, je näher sie sich am Perijovum befindet und ihre Aufenthaltszeit in den gefährlichen Strahlungsgürteln geringer.

Insgesamt sollen 32 Wissenschaftsorbits vollendet werden. Bei jedem Orbit wird der Fokus auf ein bestimmtes Instrument gelegt und die Lage der Raumsonde so angepasst, wie es für das jeweilige Instrument am günstigsten ist. Nachdem die wissenschaftliche Arbeit abgeschlossen ist, soll Juno auf Kollisionskurs mit Jupiter gebracht werden. Dies hat vor allem den Zweck, dass die Sonde nicht mit einem der Jupitermonde kollidiert und ihn versehentlich mit irdischem Leben kontaminiert. Der Eintritt in die Atmosphäre ist für den 20. Februar 2018 geplant.

Die Raumsonde
Juno vereint sowohl technische Neuerungen als auch Konzepte, die sich in der Raumfahrt bereits bewährt haben. Eine dieser Neuerungen fällt sofort ins Auge: Musste Rosetta noch in den Winterschlaf versetzt werden, da mit ihren Solarzellen keine Stromerzeugung in dieser Entfernung möglich war, wird Junos Energie vollständig über ihre drei 9 m langen Solarpaneele generiert. In Sonnennähe kann die generierte Leistung gedrosselt werden, um einen Überschuss an Energie zu vermeiden, den man sonst mühselig in den Weltraum abstrahlen müsste. In Schattenphasen versorgen Lithium-Ionen-Akkus die Raumsonde mit Strom.

Auch die neue Fertigungstechnologie des 3D-Drucks hält mit Juno Einzug in eine größere Raumfahrtmission: die Raumsonde hat 3D-gedruckte Titankomponenten an Bord. Diese Technik ist für die Raumfahrt besonders reizvoll, da sie die Möglichkeit bietet, andernfalls schwierig zu fertigende Komponenten in einem vertretbaren finanziellen Rahmen herzustellen. Allerdings ist diese Technik für raumfahrtrelevante Materialien stellenweise noch nicht ganz ausgereift und die Qualifikation kann sich je nach 3D-Druckverfahren komplex gestalten.

Um die empfindliche Elektronik vor der aggressiven Strahlung zu schützen, ist sie in einem 18 kg schweren Titanwürfel verbaut, die die Strahlung abschirmen soll. Diese Art von Strahlungsabschirmung ist ebenfalls ein Novum für die Raumfahrt.

Für die Lageregelung setzt die NASA hingegen auf die bewährte Drallstabilisierung. Hier rotiert das Raumschiff um eine Achse und stabilisiert hierdurch die Lage. Die Drehrate variiert von Missionsphase zu Missionsphase: in der Cruise-Phase dreht sie sich lediglich mit einer Umdrehung pro Minute. Ist eine höhere Lagegenauigkeit gefragt, wie zum Beispiel bei Bahnmanövern, wird die Drehrate auf fünf Umdrehungen pro Minute erhöht. Das Lageregelungssystem besteht aus 12 Düsen, die in vier Blöcken angeordnet sind. Dies erlaubt dem Raumschiff eine Kontrolle um alle drei Achsen. Auch das Haupttriebwerk ist mit einem Hydrazin-NTO (Stickstofftetroxid) Triebwerk eher ein alter Bekannter. Es liefert einen Schub von 645 Newton.

Die Wissenschaft

Junos Hauptziel ist ein besseres Verständnis der Entstehung von Jupiter und somit unseres Sonnensystems. Dies trägt nicht nur zur Klärung der jahrhundertealten Frage nach der Entstehung der Erde bei, sondern ermöglicht es auch, die Entstehungsprozesse extrasolarer Planetensysteme besser zu verstehen.

Momentan geht man davon aus, dass sich unser Sonnensystem aus einer Akkretionsscheibe aus Staub und Gas formte, aus der sich durch Gravitationseinflüsse allmählich die Planeten und andere Körper unseres Sonnensystems formten. Warum Jupiter die meiste Masse für sich beanspruchen konnte, ist allerdings bisher unklar. Es könnte sein, dass sich zunächst ein massereicher Kern geformt hat, der schließlich mehr Masse auf sich zog als die anderen Planetesimale („halbfertige“ Planeten) oder dass eine instabile Region in der Staubscheibe kollabiert ist. Um die Kerntheorie zu überprüfen, soll Juno mithilfe des Magnet- und Gravitationsfeldes den Kern von Jupiter vermessen. Mit diesen Informationen lassen sich auch Rückschlüsse auf die Entstehung der anderen Planeten und schließlich der Erde ziehen.

Jupiter konnte durch seine große Gravitation und die Entfernung zur Sonne die flüchtigen Gase, die bei der Entstehung des Sonnensystems vorherrschten, festhalten und hat somit die Zusammensetzung der Akkretionsscheibe konserviert. Eine Untersuchung der Komponenten von Jupiter wird somit Aufschluss auf die chemische Vergangenheit des Sonnensystems geben.

Ein weiteres Untersuchungsobjekt ist die Dynamik der Jupiteratmosphäre, die in nie dagewesener Tiefe kartografiert werden soll. Auch Jupiters Magnetfeld wird ein Untersuchungsgegenstand sein. Da der Orbit von Juno über den Polen verläuft, können Polarlichter beobachtet und analysiert werden. Junos Orbit führt sie außerdem so nah an den Jupiter heran wie kein Orbiter vor ihr. Von der JunoCam sind also spektakuläre Farbaufnahmen von Jupiters Wolken und Stürmen zu erwarten.

Wenn man das ehrgeizige Portfolio an wissenschaftlichen Zielen betrachtet, erscheinen die 1,13 Milliarden Dollar, die die NASA für die Mission geplant hat, gut investiert. Juno wird schließlich nicht nur weitere Geheimnisse der Entstehung unseres Sonnensystems und anderer Planetensysteme lüften, sondern auch eine Reihe neuer Technologien im Weltall erproben und für künftige Missionen nutzbar machen. Man darf sehr gespannt auf die Ergebnisse sein.

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• Juno – Mission beim Jupiter

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Christian-Albrechts-Universität Kiel, JPL, Science.

Das Hauptziel der Mission des von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Marsrovers Curiosity besteht in der Klärung der Frage, ob auf dem Mars einstmals „lebensfreundliche“ Bedingungen herrschten, welche theoretisch die Entstehung von mikrobiologischen Lebensformen ermöglicht haben könnten und ob es eventuell sogar denkbar ist, dass die derzeit auf dem Mars vorherrschenden Umweltbedingungen auch noch in der Gegenwart die Existenz solcher Lebensformen ermöglichen könnten. Bei einem der 10 dabei zum Einsatz kommenden wissenschaftlichen Instrumente des Rovers handelt es sich um den Strahlungsdetektor RAD.

Die Aufgabe dieses unter anderem an der Christian-Albrechts-Universität in Kiel (CAU) entwickelten Instrumentes besteht darin, die auf dem Mars auftretenden Strahlungswerte zu ermitteln. Im Gegensatz zur Erde verfügt der Mars über kein relevantes Magnetfeld. Dies hat zur Folge, dass die aus dem Weltall einfallende Strahlung die ungeschützte Planetenoberfläche nahezu vollständig erreicht.

Diese Strahlung besteht zum einen aus der galaktischen kosmischen Strahlung (GCR), welche ihren Ursprung außerhalb unseres Sonnensystems hat und zum Beispiel durch Sternexplosionen – sogenannte Supernovas – freigesetzt wird. Zum anderen besteht sie aus der solaren Strahlung, welche bei bestimmten physikalischen Prozessen auf der Sonne freigesetzt wird. Diese Sonnenwinde sind auf der Erde unter anderem für die Entstehung der Polarlichter verantwortlich. Des weiteren beinhaltet die den Mars treffende Strahlung eine sekundäre Strahlungskomponente, welche durch eine Wechselwirkung der galaktischen Strahlung und der solaren Strahlung mit der Marsatmosphäre und der Oberfläche des Planeten entsteht.

Die während der ersten 300 Tagen der Mission gesammelten Daten dieses Instrumentes wurden mittlerweile ausgewertet und am vergangenen Montag auf der gegenwärtig in San Francisco/Kalifornien stattfindenden Herbsttagung der American Geophysical Union (AGU) vorgestellt. An der entsprechenden Studie waren neben Mitarbeitern des Instituts für Experimentelle und Angewandte Physik der CAU auch Wissenschaftler der NASA, des Southwest Research Institute (SwRI) in Boulder/Colorado und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) beteiligt.

Strahlenbelastung für zukünftige Marsbesucher
Im Zeitraum vom August 2012 bis zum Juni 2013, so die Wissenschaftler, betrug die Strahlenbelastung im Operationsgebiet des Rovers pro Tag im Durchschnitt 0,67 Millisievert. Während des Zeitraumes der Messungen wurde der Mars von keinen größeren Sonnenstürmen getroffen, so dass etwa 95 Prozent der registrierten Strahlung von der kosmischen Strahlung verursacht wurde. Anhand dieser Daten konnte auch die Strahlenbelastung berechnet werden, der Astronauten bei einer zukünftigen bemannten Marsmission unter der Zugrundelegung eines 500 Tage andauernden Aufenthaltes auf der Marsoberfläche ausgesetzt sein werden. Eine vergleichbare Sonnenaktivität vorausgesetzt würde diese bei etwa 0,32 Sievert liegen.

Im Rahmen einer früheren Studie wurde bereits die Strahlenbelastung für eine 360 Tage dauernden Hin- und Rückreise zum Mars ermittelt. In einem Raumschiff, welches über eine vergleichbare Abschirmung wie Curiosity verfügt, würden Astronauten während der Transferphase zwischen Erde und Mars einer Strahlenbelastung von 0,66 Sievert ausgesetzt sein (Raumfahrer.net berichtete).

Zukünftige Besucher von der Erde würden somit im Rahmen einer Marsmission einer Strahlungsdosis von insgesamt etwa einem Sievert ausgesetzt sein. Aktuell gilt ein Wert von 0,8 Sievert als der Grenzwert, dem Astronauten während ihrer gesamten Laufbahn ausgesetzt sein dürfen. Durch diesen Strahlungswert von 0,8 Sievert erhöht sich das Risiko einer Erkrankung an Krebs um etwa drei Prozent. Durch eine Dosis von einem Sievert würde sich das Krebsrisiko auf eine Wert von etwa fünf Prozent erhöhen. Dieses Risiko wäre aber immer noch unvergleichlich kleiner, als die Gefahr, welche ein Raucher eingeht. Durch das Rauchen erhöht sich zum Beispiel das Risiko einer Lungenkrebserkrankung um etwa 1.500 Prozent.

„Die gewonnen Daten sind ein wichtiger Schritt für die Realisierung einer bemannten Marsmission und können helfen, Astronautinnen und Astronauten auf zukünftigen Missionen beispielsweise durch eine bessere Abschirmung des Raumschiffs oder durch eine sichere Behausung auf dem Mars zu schützen“, so Prof. Dr. Robert Wimmer-Schweingruber von der Christian-Albrechts-Universität. Die Strahlungsmessungen sollen auch in Zukunft fortgesetzt werden, so der für das RAD-Instrument hauptverantwortliche Wissenschaftler Donald M. Hassler vom SwRI. Speziell durch die Beobachtung der Auswirkungen von Sonnenstürmen, welche den nahezu ungeschützten Mars in Zukunft treffen werden, können weitere wertvolle Informationen und Daten gesammelt werden.

Auswirkungen auf „einheimische“ Lebensformen
Nach wie vor gilt das Interesse vieler Wissenschaftler, aber auch der interessierten Öffentlichkeit der Suche nach eventuell auf dem Mars existierenden Lebensformen. Die Daten des RAD-Instrumentes erlauben den Wissenschaftlern eine Abschätzung, wie lange und wie tief im Boden eventuell auf dem Mars existierende Mikroorganismen dort überleben könnten. Zusätzlich können auch Aussagen darüber getätigt werden, wie lange die Signaturen von ehemals existierenden Lebensformen noch in den verschiedenen Oberflächenschichten nachgewiesen werden könnten.

Organisches Material, welches sich lediglich fünf Zentimeter tief in Felsgesteinen verbirgt, würde bei der jetzt bestimmten Strahlungsrate innerhalb von 650 Millionen Jahren fast vollständig zerstört werden. Ebenfalls am vergangenen Montag veröffentlichte Forschungsresultate zeigen jedoch, dass sich zum Beispiel die ebenfalls von dem Marsrover Curiosity untersuchte Gesteinsformation „Cumberland“ erst seit etwa 60 bis 100 Millionen Jahren dicht genug an der Marsoberfläche befindet, um von den dort einwirkenden erosiven Kräften zersetzt zu werden (Raumfahrer.net berichtete).

Sollten sich im Bereich des Operationsgebietes des Rovers in der Vergangenheit organische Verbindungen, welche auch als die „Grundbausteine des Lebens“ bezeichnet werden, abgelagert haben, so die beteiligten Wissenschaftler, so sollten diese somit eigentlich auch durch die Instrumente des Rovers nachweisbar sein. Die Suche nach solchen komplexen, kohlenstoffhaltigen Verbindungen gilt als eines der Hauptziele der Curiosity-Mission. Sollten im Rahmen der Mission solche organische Verbindungen nachgewiesen werden, so könnten diese eventuell biologischen Ursprungs sein. Als eine andere Quelle kommen jedoch zum Beispiel auch eine bestimmte Meteoritenart, die sogenannten Kohligen Chondrite, oder Kometenkerne in Frage, welche solche organischen Verbindungen eigentlich regelmäßig auf die Oberfläche des Mars transportieren sollten.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse wurden ebenfalls am vergangenen Montag in der Fachzeitschrift „Science“ unter dem Titel „Mars’ Surface Radiation Environment Measured with the Mars Science Laboratory’s Curiosity Rover“ publiziert.

Bis zum heutigen Tag, dem „Sol“ 480 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von mehr als 4.500 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. Seit dem Erreichen unseres Nachbarplaneten haben die Kamerasysteme von Curiosity 105.270 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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Fachartikel von Donald M. Hassler et al.:

• Mars’ Surface Radiation Environment Measured with the Mars Science Laboratory’s Curiosity Rover (Abstract, engl.)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Christian-Albrechts-Universität Kiel, DLR, JPL, Science.

Das Hauptziel der Mission des von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Marsrovers Curiosity besteht darin, zu erforschen, ob auf dem Mars einstmals „lebensfreundliche“ Bedingungen herrschten, welche theoretisch die Entstehung von mikrobiologischen Lebensformen ermöglicht haben könnten und ob es eventuell sogar denkbar ist, dass die derzeit auf dem Mars vorherrschenden Umweltbedingungen auch noch in der Gegenwart die Existenz solcher Lebensformen ermöglichen könnten. Bei einem der 10 dabei zum Einsatz kommenden wissenschaftlichen Instrumente des Rovers handelt es sich um den Strahlungsdetektor RAD.

Die Aufgabe dieses unter anderem an der Christian-Albrechts-Universität in Kiel entwickelten Instrumentes besteht darin, die auf dem Mars auftretenden Strahlungswerte zu ermitteln. Im Gegensatz zur Erde verfügt der Mars über kein relevantes Magnetfeld. Dies hat zur Folge, dass die aus dem Weltall einfallende Strahlung die ungeschützte Planetenoberfläche nahezu vollständig erreicht.

Diese Strahlung besteht zum einen aus der galaktischen kosmischen Strahlung (GCR), welche ihren Ursprung außerhalb unseres Sonnensystems hat und zum Beispiel durch Sternexplosionen – sogenannte Supernovas – freigesetzt wird. Zum anderen besteht sie aus der solaren Strahlung, welche bei bestimmten physikalischen Prozessen auf der Sonne freigesetzt wird. Diese Sonnenwinde sind auf der Erde unter anderem für die Entstehung der Polarlichter verantwortlich. Des weiteren beinhaltet die den Mars treffende Strahlung eine sekundäre Strahlungskomponente, welche durch eine Wechselwirkung der galaktischen Strahlung und der solaren Strahlung mit der Marsatmosphäre und der Oberfläche des Planeten entsteht.

Messungen auf dem Weg zum Mars
Allerdings begann das RAD-Instrument nicht erst nach der erfolgreichen Landung des Rovers auf dem Mars mit seiner Arbeit. Der Strahlendetektor nahm den Betrieb vielmehr bereits kurz nach dem Start am 6. Dezember 2011 auf und war das einzige Instrument an Bord von Curiosity, welches bereits während des Fluges zum Mars wissenschaftliche Daten lieferte. Hierbei wurden bis zum 14. Juli 2012 alle 24 Stunden wissenschaftliche Daten des Instruments an das in Pasadena/Kalifornien befindliche Kontrollzentrum der Mission übermittelt. Die dabei gewonnenen Messresultate werden Auswirkungen auf die für die Zukunft geplanten Marsmissionen haben, bei denen dann auch Menschen die Oberfläche des Roten Planeten betreten werden.
Welche Strahlenbelastung wird die Besatzung eines Raumschiffs bei einem Flug zum Mars voraussichtlich ausgesetzt sein und welche Maßnahmen sind erforderlich, um diese Strahlendosis möglichst gering zu halten? Diese Fragen hoffen die Wissenschaftler mit den Daten des RAD-Instrumentes beantworten zu können.

„Das RAD ist [in der Missionsphase des Fluges zum Mars] vergleichbar mit einem Stellvertreter für einen Astronauten in einem Raumschiff auf dem Weg zum Mars“, so die Erklärung von Dr. Donald Hassler vom Southwest Research Institute (SwRI) in Boulder im US-Bundesstaat Colorado, dem für das RAD-Instrument hauptverantwortlichen Wissenschaftler. „Das Gerät befindet sich tief im Inneren der Raumsonde, vergleichbar mit der Position eines Astronauten bei einer bemannten Mission. Zu sehen, wie die Raumsonde das Strahlungsfeld beeinflusst, wird uns wichtige Informationen darüber liefern, wie man ein Raumschiff für eine zukünftige Reise zum Mars am besten konstruieren muss.“

Am gestrigen Tag gab die NASA im Rahmen einer Pressekonferenz erste Ergebnisse der Strahlungsmessungen durch das RAD-Instrument bekannt.

„Zum ersten Mal konnte damit die Strahlung im Inneren einer Raumsonde im interplanetaren Raum zwischen Erde und Mars gemessen werden“, so Dr. Günther Reitz, Wissenschaftler am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Bisher hatten wir nur Modellrechnungen. Nun haben wir echte Daten, welcher Strahlungsdosis ein Astronaut bei seiner Reise zum Mars ausgesetzt wäre.“

Die Messungen zeigten, dass das Instrument – und somit ein Astronaut – auf dem Weg zum Mars jeden Tag im Durchschnitt einer Strahlungsdosis von 1,8 Millisievert ausgesetzt wurde. Unter der schützenden Hülle der Erdatmosphäre beträgt die jährliche Strahlendosis durch kosmische Strahlung dagegen lediglich 0,3 Millisievert. Zusätzlich zu der permanenten galaktischen Strahlung zeichnete das Gerät während der interplanetaren Reise auch die Strahlung von fünf Sonnenstürmen auf. Diese Stürme erwiesen sich als ein Glücksfall für die beteiligten Wissenschaftler, welche somit bereits in der Flugphase zum Mars ein breites Strahlungsspektrum erfassen konnten und dadurch auch wertvolle Daten über den Einfluss von Sonnenstürmen auf die Strahlenexposition erhielten. „Wir freuen uns über jeden solaren Sturm, denn der bringt noch zusätzlich Würze in die Suppe“, so Dr. Günther Reitz.

Erkenntnisse für eine bemannte Langzeitmission zum Mars
Im Rahmen ihrer Studien berechneten die beteiligten Wissenschaftler von der NASA, dem SwRI, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Christian-Albrechts-Universität in Kiel (CAU) die Gesamtstrahlenbelastung, welcher ein Astronaut auf einer 360 Tage dauernden Hin- und Rückreise zum Mars ausgesetzt sein würde. Diese beträgt – eine vergleichbare Reisedauer, Raumschiffabschirmung und Sonnenaktivität vorausgesetzt – ungefähr 0,66 Sievert. Eine Strahlendosis von einem Sievert geht nach heutigen Erkenntnissen mit einem um fünf Prozent erhöhten Risiko für eine tödliche Krebserkrankung einher.

„Damit liegt die Belastung noch unter der Grenze von ungefähr 0,8 Sievert, der Astronauten in ihrer gesamten Laufbahn ausgesetzt sein dürfen. Bemannte Missionen sind also machbar, jedoch nicht unkritisch“, so Professor Robert Wimmer-Schweingruber von der Christian-Albrechts-Universität in Kiel, dessen Arbeitsgruppe das Messgerät baute. „Diese Strahlungsdosis ist vergleichbar mit einer Ganzkörper-CT, welche alle fünf oder sechs Tage wiederholt wird“, ergänzt Cary Zeitlin vom SwRI.

Die ermittelten 1,8 Millisievert pro Tag ergeben sich hauptsächlich durch die permanent vorhandene hochenergetische galaktische Teilchenstrahlung. Die von der Sonne ausgehende Strahlung war dagegen während des Fluges von Curiosity zu Mars für lediglich etwa drei bis fünf Prozent der gemessenen Strahlenwerte verantwortlich. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass die Sonne während des 253 Tage dauernden Fluges zum Mars eine relativ geringe Aktivität zeigte. Bei einer bemannten Marsmission müsste zudem noch die Zeit berücksichtigt werden, welche die Astronauten auf der Marsoberfläche verbringen und während der sie ebenfalls einer erhöhten Strahlungsdosis ausgesetzt sein werden. Aber auch über diese Werte liefert das RAD-Instrument weitere Daten. Seit der Landung von Curiosity ist das Strahlungsmessgerät fast rund um die Uhr in Betrieb und ermittelt in regelmäßigen Abständen entsprechende Daten.

Die Strahlungsbelastung bei einem bemannten Flug zum Mars liegt somit nahe an den allgemein akzeptierten Grenzwerten der Raumfahrtorganisationen und entspricht in etwa der durchschnittlichen Belastung, welcher ein Mensch während seines gesamten Lebens auf der Erde ausgesetzt ist. „Die von uns gemessene Strahlenbelastung liegt an der Grenze zu dem, was bei der NASA und anderen Weltraumbehörden als die Obergrenze für ein akzeptables Risiko für Raumfahrer angesehen wird. Diese Grenzen sind jedoch abhängig von unserem Verständnis von dem mit der Exposition von kosmischen Strahlen verbundenen Gesundheitsrisiko. Und dieses Verständnis ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt immer noch ziemlich begrenzt“, so Cary Zeitlin. Vor der Durchführung einer bemannten Marsmission ist deshalb in erster Linie zunächst einmal noch ein besseres Verständnis des gesundheitlichen Risikos nötig, welches mit derart hohen Belastungen verbunden ist.

Unabhängig davon, so die allgemeine Einschätzung, müsste ein Raumschiff, welches Astronauten zum Mars transportiert, über eine entsprechende Abschirmung gegen die kosmische Strahlung verfügen. Nur so kann die Strahlenbelastung auf einen Wert gesenkt werden, welcher das gesundheitliche Risiko zukünftiger Marsbesucher minimiert. Aufgrund der Daten des RAD-Instrumentes können entsprechende Schutzmaßnahmen bei der Konstruktion des Raumschiffes, welches Menschen zum Mars transportieren wird, berücksichtigt werden.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse der Strahlungsmessungen durch das RAD-Instrument wurden am heutigen Tag von Cary Zeitlin et al. unter dem Titel „Measurements of Energetic Particle Radiation in Transit to Mars on the Mars Science Laboratory“ in der Fachzeitschrift „Science“ publiziert.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist als Partner der NASA an der Curiosity-Mission beteiligt. Es förderte die Entwicklung der Sensoreinheit des RAD-Instruments an der Christian-Albrechts-Universität in Kiel und am Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin des DLR in Köln. Die Entwicklung der Sensoren erfolgte in enger Kooperation mit der in München ansässigen Firma Kayser-Threde. Die Entwicklung wurde zudem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert. Die finanzielle Gesamtsumme des Kieler Projektes beläuft sich auf rund 1,3 Millionen Euro. Für die Entwicklung der Elektronikeinheit des RAD war dagegen das SwRI verantwortlich. Der Betrieb des Instruments erfolgt durch ein internationales Wissenschaftler-Team, an dem Mitarbeiter des DLR, der CAU und des SwRI beteiligt sind.
Bis zum heutigen Tag, dem „Sol“ 291 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von etwa 740 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. In diesem Zeitraum haben die Kamerasysteme des Rovers bisher 55.197 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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Fachartikel von Cary Zeitlin et al.:

• Measurements of Energetic Particle Radiation in Transit to Mars on the Mars Science Laboratory (Abstract, engl.)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, NASA Science News, DLR.

In nur wenigen Stunden wird der neueste Rover der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA, der Rover Curiosity, auf der Oberfläche unseres äußeren Nachbarplaneten aufsetzen und sein Landegebiet anschließend mittels der mitgeführten wissenschaftlichen Instrumente für die Dauer von mindestens 23 Monaten ausführlich untersuchen.

Aber bereits auf dem Weg zum Mars war eines dieser Instrumente, der Strahlungsdetektor RAD, aktiviert und hat dabei im Rahmen seiner in regelmäßigen Abständen erfolgenden Messungen die Strahlungswerte ermittelt, denen zukünftige Astronauten auf ihrem Weg zum Mars ausgesetzt sein werden.

„Das RAD-Instrument ist [in der Missionsphase des Fluges zum Mars] vergleichbar mit dem Stellvertreter für einen Astronauten in einem Raumschiff auf dem Weg zum Mars“, so die Erklärung von Dr. Donald Hassler vom Southwest Research Institute in Boulder im US-Bundesstaat Colorado, dem für dieses Instrument verantwortlichen Wissenschaftler. „Das Gerät befindet sich tief im Inneren der Raumsonde, vergleichbar mit der Position eines Astronauten bei einer bemannten Mission. Zu sehen, wie die Raumsonde das Strahlungsfeld beeinflusst, wird uns wichtige Informationen darüber liefern, wie man ein Raumschiff für eine zukünftige Reise zum Mars am besten konstruieren muss.“

Zu diesem Zweck nahm das RAD-Instrument seinen wissenschaftlichen Betrieb bereits am 6. Dezember 2011 auf und sammelte bis zum 13. Juli 2012 regelmäßig Daten über die Strahlungswerte, welchen die Cruise Stage des Rovers auf seinem Weg zum Mars ausgesetzt war. Neben der kosmischen Strahlung war die Cruise Stage dabei speziell der Strahlung ausgesetzt, welche sich im Rahmen mehrerer Sonnenstürme durch das innere Sonnensystem verteilte. In diesem Zeitraum konnte der RAD insgesamt fünf größere Sonnenstürme nachweisen, deren Strahlungspartikel im Februar, März und Mai 2012 nicht nur die Cruise Stage getroffen haben, sondern die auch in das Innere der Raumkapsel vordringen konnten.

„Der Rover hat diese Ereignisse gut überstanden und uns zudem unbezahlbare Daten über diese Ereignisse übermittelt“, so Don Hassler. Eine erste Auswertung der bisherigen Daten zeigt, dass lediglich die stärksten der in diesem Zeitraum aufgetretenen Sonnenstürme die Außenhülle der Cruise Stage durchdringen und anschließend von dem RAD nachgewiesen werden konnten. Neben der eigentlichen, aus einer Aluminium-Struktur bestehenden Cruise Stage und dem Aeroshell sorgten dabei anscheinend auch die mit Hydrazin gefüllten Treibstofftanks für eine gewisse Abschirmung gegenüber der einfallenden Strahlung.

Insgesamt wurde der größere Teil der einfallenden Strahlung nicht durch die von der Sonne ausgehenden Strahlungspartikel verursacht, sondern vielmehr durch die Gesamtheit der kontinuierlich einfallenden kosmischen Strahlung. Vergleichende Messungen mit dem Advanced Composition Explorer (kurz „ACE“) der NASA, welcher sich am Lagrange-Punkt L-1 zwischen der Sonne und der Erde befindet, zeigten zudem, dass die Struktur der Cruise Stage einen Großteil der auftreffenden Strahlung abschirmt. Der ACE wurde ebenfalls von den einzelnen Strahlungsevents getroffen, wobei die entsprechenden Messungen jedoch an der Außenseite des ACE erfolgten.

Allerdings zeigte die Analyse der auftretenden Strahlungsmengen, welche die Cruise Stage von Curiosity erreichten auch, dass die einfallende Strahlung in ihrer Gesamtheit trotz einer vergleichbaren Abschirmung höher ausfällt als die Strahlungsdosis, welcher sich die Astronauten der Internationalen Weltraumstation (ISS) bei einem längeren Aufenthalt im Erdorbit aussetzen. Um die gesundheitlichen Risiken zukünftiger Marsbesucher so weit wie möglich zu minimieren muss also noch eine Verbesserung der Abschirmung eines zukünftigen Mars-Raumschiffes ins Auge gefasst werden.

Welche Bedeutung haben diese Ergebnisse? Zum einen erhielten die an der Mission beteiligten Wissenschaftler mit ihren Messungen im freien Weltraum wertvolle Datensätze, welche ihnen weitere und in diesem Umfang bisher nicht mögliche Aufschlüsse über das Strahlungsfeld im inneren Sonnensystem geben. Zum anderen – und auch dies ist eine positive Nachricht für den weiteren Verlauf der Curiosity-Mission – können sie sich jetzt sicher sein: Das RAD-Instument funktioniert offensichtlich zuverlässig und liefert die im Rahmen der Mission vorgesehenen Daten.
Die Signale, welche die erfolgte Landung des Rovers bestätigen, werden am morgigen 6. August gegen 7.31 Uhr MESZ auf der Erde eingehen. Sie können die Landung Curiositys, welcher die Marsforschung während der kommenden Jahre wesentlich mitbestimmen wird, auch im Rahmen einer deutschsprachigen Internet-Übertragung verfolgen. Spacelivecast.de wird an diesem Tag um 06:30 MESZ auf Sendung gehen und Sie neben den Bildern von NASA-TV mit entsprechenden Kommentaren und vielen interessanten Hintergrundinformationen versorgen.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Koichi Wakata freut sich derweil über einen weiteren Monat im Orbit. Er hätte im Rahmen der Mission STS 127 abgelöst werden sollen.
Im Mittelpunkt der experimentellen Arbeiten standen einmal mehr die Raumfahrer selbst. Zu den medizinischen Vorhaben gehörten die Untersuchung der Wirksamkeit einer neuen Medikamententherapie gegen den bisher unaufhaltsamen Knochenabbau in der Schwerelosigkeit (Experiment Bisphosphonates), die Anpassung des Biorhythmus‘ an die veränderten Gegebenheiten in der Station (Biorhythm), Veränderungen der Wahrnehmung im Verlaufe eines längeren Aufenthaltes unter Mikrogravitationsbedingungen (BISE, 3D Space), Anpassungen im Stoffwechsel und in der Arbeit des Herz-Kreislauf-Systems (Sonokard, CARD, Integrated Cardiovascular, Nutrition) sowie Hörtests. Im Rahmen einiger Untersuchungen werden 24 Stunden lang Urinproben genommen sowie EKG-Aufzeichnungen angefertigt. Außerdem werden Blutproben entnommen und eingefroren.

Aufgrund eines stark erhöhten Laufgeräusches eines Ventilators im GLACIER-Kühlapparat wurde dieser zunächst abgeschaltet und darin enthaltene Proben in ein anderes Kühlsystem (MELFI) verlegt.

Endlich gelungen ist die vollständige Wiederherstellung des Systems von Navigations- und Steuerungscomputern im Service-Modul Swesda. Die Computer stammen aus Deutschland und sind in dreifacher Ausführung da. Eines der drei Systeme war in den letzten Monaten ausgefallen, mehrere Reparaturversuche brachten keine Verbesserung. Am 17. Juni wurde nun die Kette 1 ausgetauscht. Nach einer ausgiebigen Überprüfung von der Erde aus, konnte einen Tag später vermeldet werden, dass das System nun wieder komplett einsatzbereit ist.

Wartungsarbeiten wurden an allen wichtigen Lebenserhaltungssystemen (Sauerstofferzeugung, CO₂-Absorption, Luftstrom, Wasseraufbereitung, Kondenswassersammlung, Toilette und Temperaturregulierung sowie an den Sportgeräten vorgenommen. Außerdem wurden verschiedene Feuermelder und -löschgeräte gewartet bzw. ausgeauscht.
Nach den Außenbordeinsätzen Anfang Juni wurde im Ausstiegsmodul Pirs nun wieder das Experiment Matrjoschka-R in Betrieb genommen. Dazu wurde es mit neuen Blasendetektoren ausgestattet und die Elektronikbox Lulin 5 aktiviert. Blasenkammern können nicht nur die Anzahl und Energie der eintreffenden Partikel anzeigen sondern auch deren Flugrichtung. Matrjoschka-R ist eine mehrschichtige Puppe, in die in mehreren Lagen verschiedene Detektoren für Teilchen- und EM-Strahlung eingearbeitet sind. Damit kann man feststellen, welche Strahlungsdosen auch im Inneren des simulierten menschlichen Körpers wirken. Außerdem gibt es über die gesamte Station verteilt eine Vielzahl weiterer Dosimeter. Bei Außenbordarbeiten tragen die Raumfahrer zusätzliche Messgeräte, deren Dosis vor und nach dem Event abgelesen werden. Aus Deutschland stammt die ERNObox, in der verschiedene Strahlungsmessgeräte eingebaut sind. Die Box, in der ein neuentwickelter SPARC-Prozessor (LEON 2), programmierbare Hilfsprozessoren (FPGA) und neuartige mikromechanische Systeme ihre Arbeit verrichten, funktioniert nach einem Software-Update nicht mehr korrekt.

Im Rahmen verschiedener Erdbeobachtungsexperimente (Crew Earth Observation, Uragan, Seiner) wurden u. a. die Städte Baikonur (Kasachstan), Sofia (Bulgarien), Jakarta (Indonesien), Kairo (Ägypten), München, Rom und Lahorc (Pakistan) sowie der Vesuv (Italien), die Coast Mountains (Kanada), Einschlagskrater in Libyen und die Nazca-Linien fotografiert. Außerdem wurden Aufnahmen von Fischereizonen nordwestlich von Afrika gemacht.

Das Sauerstoffzuführungssystem Elektron im russischen Modul Swesda wurde nach Arbeiten am fehlerhaft arbeitenden Telemetriesystem BITS2 mehrmals über Nacht deaktiviert und am Morgen wieder eingeschaltet. Auch sonst wurde der Luftqualität große Beachtung geschenkt. Es existieren mehrere Messeinrichtungen, welche die Belastung mit potentiell schädlichen Substanzen untersuchen. In dieser Woche wurde speziell nach Spuren von Vinylchloriden, Ethanol und Ethylenoxid gefahndet.

Gestern feierte der gegenwärtige Kommandant der ISS, Gennadi Padalka, seinen 51-sten Geburtstag.

Raumcon:

• ISS-Hauptthread ab 15. Juni

Der Beitrag Sechse fliegen um die Welt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Zu Wochenbeginn wurde das Acoustic Measurement Protocol initiiert. Dazu trugen Gennadi Padalka, Michael Barratt und Koichi Wakata kleine Mikrofone sowie Messgeräte und Speicher am Körper. Hiermit werden die Lärmpegel, denen die Raumfahrer ausgesetzt sind, über einen längeren Zeitraum erfasst. Außerdem wurden auch stationäre „akustische Dosimeter“ aktiviert. Diese Untersuchungen werden während jeder ISS-Expedition zweimal vorgenommen.

Mittlerweile wird das Frachtraumschiff Progress-M 66 auf seinen Abflug vorbereitet. Dazu überprüfte Koichi verschiedene Verbrauchsgüter, wie Blutanalyse-Kits und Transportverpackungen, auf ihre weitere Verwendbarkeit. Nicht mehr nutzbare Materialien werden aussortiert und ins Progress-Raumschiff transportiert. Nach dem Abkoppeln wird das Raumschiff gezielt zum Absturz gebracht und verglüht. Bis zum 4. Mai allerdings wird Progress-M 66 noch zur Kontrolle der Rollbewegungen der gesamten Station und für eventuelle Ausweichmanöver verwendet. In dieser Woche wurde Luft aus einem speziellen Tank des Raumschiffes dazu verwendet, die Atmosphäre in der Station aufzufrischen. Außerdem wurden verschiedene Tests ausgeführt und die Treibstoffleitungen durchgespült.

Ziele von Erdbeobachtungen waren u. a. die Galapagosinseln, Kilauea und Mauna Lea auf Hawaii, der Tschadsee, die Städte Bukarest, Mexico City, Key Largo, Rio de Janeiro und Tucson die Insel Madeira sowie der Villarrica-Vulkan in Chile. Vorgenommen wurden auch biochemische Urinanalysen sowie Untersuchungen der Luft- und Wasserqualität. Dabei wurde Wasser aus der Urinaufbereitungsanlage für hygienische Zwecke als geeignet eingestuft und freigegeben. Als Trinkwasser lässt es sich erst dann verwenden, wenn das gelöste Iodid ausgefiltert wird.

Im Rahmen von ALTEA (Anomalous Long Term Effects on Astronauts) wurden 6 Dosimeter in der Station aktiviert, mit denen die Strahlenbelastung gemessen wird. Auf demselben Gebiet wird auch mit den Experimenten Matroschka und Tissue Equivalent Proportional Counter Detector geforscht. Dabei werden der menschliche Körper bzw. lebendes Gewebe durch spezielle Materialien simuliert und damit praxisnähere Daten gewonnen.

Im Rahmen von Bildungsprogrammen wurden die Experimente Try Zero G und Photo-Moon durchgeführt. Bei letzterem fotografiert Koichi frei schwebend mittels Teleobjektiv Teile der Mondoberfläche. Aus der Position von Kratern ergeben sich dabei Noten, aus deren Größe die Tonlänge. Ziel ist die Erstellung einer Partitur für ein kosmisches Musikstück. Naja, die Japaner eben ;).

Weitere wissenschaftliche Experimente waren Relaksatsija zur Messung optischer Phänomene in der Erdatmosphäre, EarthKAM (Earth Knowledge Acquired by Middle School Students), bei dem mittels elektronischer Kamera Bilder von Gebieten der Erdoberfläche angefertigt und zur Auswertung an Schulen übertragen werden, Sonokard, bei dem Daten des Herz-Kreislaufssystems (EKG) ohne Anlegen von Elektroden einfach durch Tragen eines sensitiven T-Shirts gewonnen werden, SLEEP zur Untersuchung der Auswirkungen der Lichtbedingungen auf Schlaf-Wach-Rhythmus und Arbeitsfähigkeit der Raumfahrer sowie Bodies in the Space Environment (BISE), bei dem mittels computergenerierter Bilder der Zusammenhang zwischen psychischer und körperlicher Wahrnehmung untersucht wird.

Im Rahmen von Tipologija wird gemessen, wie das menschliche Gehirn in Stresssituationen reagiert und welches Stresslevel für das normale Arbeiten in der Raumstation geeignet ist. Dabei trug Gennadi Elektroden für ein EEG während er verschiedene Aufgaben löste. Dazu gehört adaptives Training nach Lüscher, mathematische Problemlösungsprozesse aber auch Computerspiele wie Minesweeper und Tetris.

Ein physikalischer Versuch, den Michael in dieser Woche durchführte, ist SPICE (Smoke Point in Co-flow Experiment). Dabei werden Verbrennungsprozesse im kontrollierten und von der Stationsluft hermetisch abgeschirmten Umfeld der Microgravity Science Glovebox so gesteuert, dass man den Punkt genau bestimmen kann, an dem es zu rauchen beginnt. Der diesmal verwendete Brennstoff enthielt 75% Propylen.

Die Tests am neuen russischen Orlan-MK-Raumanzug (integriertes EKG) konnten abgeschlossen werden, während im US-Schleusenmodul Quest aufgeräumt wurde. Außerdem wurde das Ladegerät 4 untersucht, das zuvor für die Tiefentladung einer Batterie verantwortlich war. Im russischen Ausstiegsmodul Pirs waren reguläre Tests an Schaltern und Sicherungen an der Reihe.

Probleme gibt es immer noch mit Computern in verschiedenen Stationsmodulen. Eines konnte offenbar dadurch beseitigt werden, indem man nach dem Herunterfahren für kurze Zeit die Batterien entfernte. Seit dem erneuten Hochfahren scheint alles normal zu funktionieren. Am Telemetriesystem in Swesda wird weiter gearbeitet. Außerdem wurde ein internes russisches Kommunikationssystem für Telefonie, Telegrafie, EVA-Kommunikation, Packet-Email und Steuersignale mit an- bzw. abfliegenden Raumschiffen (TORU) getestet. Alles in allem eine Menge Kleinkram, der neben der Kontrolle und Wartung der lebenserhaltenden Systeme, neben Sport und Hygiene auch irgendwann erledigt werden muss.

Raumcon:

• ISS-Hauptthema (ab 28. April)

Der Beitrag Viele kleine Dinge erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Autor: Georg Jakubaas. Vertont von Karl Urban.

Die Grundlagen der Marsmissionen
Im Juli 1997 veröffentlichte die NASA ein Dokument der Arbeitsgruppe „NASA Mars Exploration Study Team„, welches für zukünftige Marsmissionen auch heute wegweisend ist. Es beschreibt ausführlich eine Referenzmission zum Mars. Dieser Artikel fasst das 237 Seiten starke Dokument zusammen und zeigt auf, wie realistisch eine Marsmission ist und wie sie ablaufen könnte.

Planetenbahnen und Flugbahnen
Eine Marsmission kann nicht mit einem einzelnen Flug abgewickelt werden. Keine Rakete wäre in der Lage, die gesamte benötigte Last von der Erde zum Mars zu befördern. Früher wurde deshalb die Idee verfolgt, ein Raumschiff im Erdorbit oder auf dem Mond zu bauen und von dort aus zu starten. Diese Idee hat sich inzwischen als zu komplex und zu teuer herausgestellt. Die Kosten für den Aufbau und Betrieb einer Raumschiffswerft, die Versorgung der Arbeiter und die Materialtransporte wären wortwörtlich exorbitant hoch. Eine Marsmission kann auf einfachere Weise abgewickelt werden, indem die Last mit einer Serie konventioneller Raketen auf den Mars transportiert wird.

Als Vorreiter dieser Idee gilt der Marsforscher Dr. Robert Zubrin, der zu dem Schluss kam, dass man zuerst das Material mit mehreren Flügen zum Mars befördern und dort zusammensetzen sollte. Die Besatzung würde erst dann zum Planeten fliegen, wenn die Infrastruktur funktionsfähig und einsatzbereit ist.

Die Tatsache, dass mehrere Flüge für die Mission notwendig sind, bringt allerdings neue Herausforderungen mit sich. Da die Umlaufbahn des Mars‘ nicht konzentrisch um die Sonne verläuft, variiert der Abstand zwischen Mars und Erde zwischen 3 und 22 Lichtminuten (55 Mio. und 401 Mio. km). Zudem umrundet Mars die Sonne durch seinen äußeren Orbit in 668,6. Tagen. Dadurch ergibt sich eine günstige Konstellation für einen Start nur etwa alle zwei bis drei Jahre. Dies setzt eine wesentlich langfristigere Planung voraus, als bei den Mondmissionen, wo sich jeden Monat ein Startfenster öffnet.

Zudem stellt sich die Frage, ob auf dem Hin- oder Rückweg der Besatzung ein Vorbeiflug an der Venus durchgeführt werden soll. Zwar brächte dies Vorteile wie die Tatsache, dass damit der Flug beschleunigt und so verkürzt werden könnte. Allerdings würde sich das Raumschiff innerhalb der Erdumlaufbahn befinden, also wesentlich näher an der Sonne. Damit wäre die Besatzung wiederum einer höheren Strahlenbelastung ausgesetzt. Am Raumschiff wäre deshalb ein zusätzlicher Strahlenschutz notwendig. Bei größeren Sonneneruptionen müssten sich die Astronauten sogar in einen besonders gut geschützten Bereich zurückziehen können, da während solchen Sonnenaktivitäten sehr hohe und gefährliche Strahlungsbelastungen auftreten können.

Unterschiede zu den Mondmissionen
Die wesentlich größere Entfernung zum Mars ist nicht der einzige Unterschied zu Mondmissionen. Auch die Flugbahn wirkt sich sehr stark auf die Mission aus.

Ein Abbruch der Mission und eine direkte Rückkehr zur Erde sind im Gegensatz zu einem Mondflug nicht möglich. Bei einem Mondflug kann eine Flugbahn gewählt werden, die ohne größere Korrekturen um den Mond herum und innerhalb weniger Tage wieder zur Erde zurück führt (Free Return Trajectory). Bei einem Marsflug ist dies schon deshalb nicht möglich, weil die notwendigen Verbrauchsgüter für einen Rückflug nicht an Bord sind. Die Reise muss beim Mars terminiert werden, wenn auch nur kurzfristig, um in das ERV (Earth Return Vehicle) umzusteigen.
Die Kommunikation wird anders als bei den Mondmissionen verlaufen. Je nachdem, wie weit weg der Mars von der Erde gerade ist, wird eine Nachricht 3 bis 22 Minuten unterwegs sein. Dies hat auch Auswirkungen auf die Aufgabenteilung zwischen Kontrollzentrum und Besatzung. Deshalb wird die Bodenkontrolle andere Aufgaben als bei bisherigen Missionen wahrnehmen. Zwar wird sie weiterhin entscheiden, was die Astronauten zu tun haben. Wie die Astronauten aber die gesetzten Ziele erreichen, wird ihnen überlassen. Der Bodenkontrolle wird deshalb eine vermehrt unterstützende Rolle zukommen.
Ein nicht zu unterschätzender Faktor während der gesamten bemannten Mission ist der psychologische Aspekt. Die Missionsteilnehmer aus verschiedenen Staaten und Kulturen werden während mehrerer Jahre auf kleinstem Raum in lebensfeindlichen Umgebungen zusammen wohnen und arbeiten. Es gibt bisher keine vergleichbaren Daten, welche die Auswirkungen eines solchen Zusammenlebens dokumentieren. Vergleichbare Projekte wie Biosphere 3 (1972 – 1984) und Biosphere 2 (1987-1989) wurden jeweils nach 180 Tagen abgebrochen. Auch hatten diese Experimente nicht primär psychologische, sondern ökologische Forschungsziele. Zurzeit ist aber ein neues Experiment in Planung, in dessen Rahmen die psychologischen Aspekte einer Langzeitmission untersucht werden sollen. Russland und die ESA werden Probanden für 520 Tage unter Konditionen einer Langzeitmission einsperren.
Optimales Abfallmanagement, bioregenerative Lebenserhaltungssysteme, verbesserter Strahlungsschutz, Ressourcennutzung vor Ort, Telemedizin, Psychodynamik,– all diese Themen müssen behandelt, bewertet, und für möglichst alle Vorkommnisse Lösungen erarbeitet werden. Lösungen, die bisher noch gar nicht oder nur unvollständig zur Verfügung stehen.

Roboter auf dem Mars
Die Mars-Referenzmission identifiziert die Robotik als einen kritischen Erfolgsfaktor. Roboter ermöglichen es, den Mars vorbereitend detaillierter als bisher zu erkunden und so potenzielle Landeplätze festzulegen. Dabei werden Parameter wie Eisvorkommen für die Wassergewinnung, Oberflächenbeschaffenheit für eine sichere Landung und Fortbewegung, sowie die wissenschaftliche Relevanz von Marsgebieten für die Mission berücksichtigt.

Die Referenzmission sieht vor, diese Parameter mit automatisierten Marsmissionen zu überprüfen, indem mit Unterstützung von autonomen Robotern Proben vom Mars auf die Erde gebracht und hier untersucht werden. Dabei wird auch die Möglichkeit genutzt, neue Schlüsseltechnologien wie das Aerobrake-Verfahren, Treibstoffgewinnung vor Ort, oder Präzisionslandungen auf dem Mars zu testen und das Funktionieren dieser Prozeduren zu bestätigen (Proof of Concept).

Sowohl beim späteren Aufbau der Marsbasis, als auch bei der Erforschung durch Menschen wird Robotik eine tragende Rolle spielen. So genannte telerobotische Rovers (TROVs), also weitgehend autonome, aber unterstützend fernsteuerbare (programmierbare) Marsfahrzeuge, werden zuerst die Basis aufbauen. Danach könnten mit einem TROV weit entfernte Gebiete aufgesucht werden, um vorab Proben zu sammeln, welche nach Ankunft der Marsforscher untersucht werden können.

Die Besatzung
Die Zusammensetzung der Mannschaft ist noch offen. Wahrscheinlich ist aber, dass die Besatzung aus Vertretern der an der Mission teilnehmenden Staaten zusammengesetzt wird, ähnlich wie heute auf der ISS. Dort sind die EU, Russland, Japan und die USA beteiligt. Bei einem Unternehmen dieser Größe ist es möglich, dass die UNO auch einen Teilnehmer der Dritten Welt entsenden wird. Wahrscheinlich ist, dass an jeder Teil-Mission sechs Astronauten beteiligt sein werden.

Die Astronauten werden mehrere Jahre lang trainieren, um den physischen und psychischen Belastungen, sowie den wissenschaftlichen und sozialen Anforderungen der Marsmission gewachsen zu sein. Durch die Abgeschiedenheit und die Unmöglichkeit, die Mission abzubrechen und frühzeitig zur Erde zurückzukehren, müssen sie ein sehr breites Spektrum an Anforderungen abdecken, damit sie in allen Situationen effektiv und effizient reagieren können. Die Besatzung muss in der Lage sein, stets so zu entscheiden, dass die Missionsziele möglichst erreicht werden. Deshalb wird sie interdisziplinär ausgebildet. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Astronauten.

Zwar musste bereits die Besatzung der Apollo-Missionen mehrere Aufgaben erfüllen können. Zum Beispiel war bereits Michael Collins bei Apollo 11 ausgebildet, um den Rückflug zur Erde alleine durchzuführen, falls Neil Armstrong und Buzz Aldrin auf dem Mond etwas zugestoßen wäre. Die Ansprüche bei Marsmissionen sind aber weitaus höher. Die Astronauten müssen die folgenden Wissensgebiete abdecken:

1. Wartung, Reparatur und Betrieb der mechanischen, elektrischen und elektronischen Geräte
   
2. Medizin inkl. Chirurgie, Psychologie und Biomedizin
   
3. Geologie, Geophysik, Planethologie, Geochemie und Geophysik
   
4. Biologie, Botanik, Ökologie und Sozialwissenschaften
   

Für jedes Wissensgebiet muss zudem ein zweites Crewmitglied als Ersatz ausgebildet sein. Alle Astronauten müssen zusätzlich über umfangreiche Kenntnisse in Management, Kommunikation, Computerwissenschaften, Forschung, Navigation und Journalismus verfügen.

Der Missionsablauf
Die technischen und logistischen Anforderungen, um sechs Menschen einen 150 Tage langen Flug, einen 600 Tage langen Marsaufenthalt und einen 120-tägigen Rückflug zu ermöglichen, sind enorm. Zu den schwierigsten Aufgaben gehört die Tatsache, dass die Mannschaft die gesamte Mission ohne Nachschub von der Erde absolvieren muss. Alle benötigten Güter werden entweder vorher auf dem Mars platziert, beim Hinflug mitgeführt, oder auf dem Mars vor Ort produziert. Da alle Ressourcen beschränkt sein werden, gilt es, ein ausgewogenes Gleichgewicht zwischen Kosten und Komfort, sowie zwischen Effektivität und Sicherheit zu finden.

Die Mars Referenzmission wählte deshalb das Vorgehen der „Split Mission Strategy„, also als Strategie der aufgeteilten Mission. Diese besteht aus ca. 15 Marsflügen, aufgeteilt auf ca. 10 Jahre, welche zusammen die gesamte Marsmission ausmachen. Die Grundzüge des Vorhabens:
Die Infrastruktur auf dem Mars wird vor dem Abflug der Astronauten bereitgestellt Es fliegen nacheinander drei Teams mit je sechs Astronauten auf den Mars Die Lasttransporte fliegen immer auf einer langsamen Flugbahn mit maximaler Nutzlast Die Mannschaft fliegt immer auf einer schnellen Flugbahn mit minimaler Nutzlast Auf dem Mars werden Ressourcen vor Ort für die Mission erzeugt / verwendet. Der Treibstoff für den Wiederaufstieg wird aus der Marsatmosphäre gewonnen Alle drei Teams werden nacheinander je ca. 600 Tage auf dem Mars verbringen

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