Quelle: DLR 18. September 2024.

18. September 2024 – Weltraumstrahlung birgt Gesundheitsrisiken für den menschlichen Körper bei astronautischen Langzeitmissionen. Sie kann Krebs und degenerative Erkrankungen verschiedener Organe verursachen. Um Astronautinnen und Astronauten bei zukünftig immer längeren Weltraumaufenthalten bestmöglich zu schützen, gilt es, geeignete Schutzmaßnahmen zu finden. Dafür sind detaillierte Messdaten über die Strahlungsbelastung beim Raumflug außerhalb des Erdmagnetfelds nötig. Ende 2022 starteten mit dem NASA-Raumschiff Orion die beiden Messpuppen Helga und Zohar im Rahmen des vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleiteten Projekts MARE. Bei der Artemis-I-Mission flogen sie auf einer über 25-tägigen Reise zum Mond und wieder zurück. Dabei wurden zum ersten Mal kontinuierlich Messdaten zu den Strahlungswerten zwischen der Erde und ihrem fast eine halbe Million Kilometer entfernten Trabanten gewonnen. Im wissenschaftlichen Fachmagazin NATURE veröffentlichte das Forschungsteam von DLR, ESA und NASA nun erste Ergebnisse.

Dr. Thomas Berger, Strahlenphysiker vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln und Leiter des Experiments MARE erklärt: „Für uns gab es zwei Hauptziele bei der Artemis-I-Mission: Wir wollten erstmals einen umfassenden und zusammenhängenden Datensatz zu den Strahlungsverhältnissen bei einem Mondflug erheben, wozu aktuell noch die Auswertungen laufen. Und gemeinsam mit NASA und ESA ging es uns darum, die Strahlungsunterschiede innerhalb des Orion-Raumschiffes zu charakterisieren, wozu nun die Ergebnisse vorliegen. Im Vorfeld hatten wir dafür eine sehr große Anzahl von Strahlungsdetektoren, sogenannte Dosimeter, an verschiedenen festen Positionen innerhalb des Raumschiffs sowie in unseren beiden lebensgroßen MARE-Messphantomen Helga und Zohar platziert.“ Das Experiment MARE ist ein gemeinsames Projekt des DLR, der israelischen Firma StemRad, NASA, Lockheed Martin und der israelischen Weltraumagentur ISA.

Deutliche Strahlungsunterschiede innerhalb des Orion-Raumschiffs
Die nun in NATURE veröffentlichten Messergebnisse zeigen: Während des Durchflugs durch den Protonengürtel der Erde, den sogenannten inneren Van Allen Gürtel, unterschied sich die Strahlungsdosis innerhalb des Raumschiffs je nach Ort des Detektors sehr deutlich: Die Dosisraten zwischen den am besten und am wenigsten geschützten Bereichen innerhalb der Raumkapsel unterschieden sich um das Vierfache. Diese enormen Unterschiede bestätigen das Design und Abschirmungskonzept der Raumkapsel. Im stärker abgeschirmten Bereich der Kapsel (Storm Shelter) kann die auf die Besatzung wirkende Gesamtdosis bei großen solaren Teilchenereignissen auf maximal 150 Millisievert beschränkt werden. Bei dieser Dosis sind keine Symptome einer akuten Strahlenkrankheit zu erwarten.

Eignung der Orion-Kapsel für astronautische Raumflüge
Die Daten zeigen zudem, dass die Ausrichtung des Raumschiffs während des Protonengürteldurchflugs eine signifikante Auswirkung auf die Strahlungswerte innerhalb der Kapsel hatte: Zum Ende des Durchflugs durch den inneren Protonengürtel führte Orion eine 90-Grad-Drehung durch, die zu einer unerwartet starken Reduzierung der Strahlungsdosis um 50 Prozent führte. „Dies zeigt uns, dass sich mit diesem Flugmanöver, die Strahlenbelastung für die Besatzung im Inneren des Raumschiffs deutlich reduzieren lässt. Auch das ist ein gutes Zeichen und bestätigt die grundsätzliche Eignung der Orion für zukünftige Raumflüge mit Astronautinnen und Astronauten. Und unsere Messdaten sind eine wertvolle Informationsgrundlage für die Gestaltung zukünftiger Missionen“, verdeutlicht DLR-Strahlenphysiker Berger.

Nicht zuletzt zeigt die nun veröffentlichte Studie, dass die moderne Computersimulation von Strahlungsumgebungen verbessert wurde, da die experimentellen Messdaten weitgehend mit den vorhergesagten Modellrechnungen übereinstimmen. Auch diese sind ein wichtiger Faktor für eine zeit- und kosteneffiziente Weiterentwicklung des Orion-Konzepts.

Insgesamt stellt das Wissenschaftsteam in der NATURE-Veröffentlichung fest, dass die Strahlenexposition für zukünftige Artemis-Missionen, die ja nur einige Tage bis Wochen dauern werden, wahrscheinlich nicht die aktuellen NASA-Grenzwerte für Astronautinnen und Astronauten überschreiten, vorausgesetzt, dass ähnliche Missionsbedingungen eingehalten werden. Das Strahlungsrisiko bleibt jedoch eine der zentralen Herausforderung für die astronautische Weltraumfahrt.

Gemeinsam mit NASA und ESA: Strahlungsmessungen für den effektiven Schutz künftiger ORION-Besatzungen
Artemis I war 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. Am 16. November 2022 startete die NASA-Mission Artemis I zur Umrundung des Erdmonds vom Kennedy Space Center in Florida. 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 NASA stattete das Raumschiff Orion mit ihrem Strahlungsmessgerät und Warnsystem „Hybrid Electronic Radiation Assessor“, kurz HERA, aus. HERA besteht aus drei Strahlungssensoren, die in unterschiedlich gut gegen Strahlung abgeschirmten Bereichen von Orion eingebaut wurden. Es ist so konzipiert, dass es einen Alarm auslöst, wenn die Besatzung bei einem energiereichen Strahlungsereignis, zum Beispiel einer Sonneneruption, Schutz suchen soll. In diesem Fall würde sich die Crew in einen besser gegen die Strahlung abgeschirmten Teil von Orion begeben, und zwar würden sie die Bodenklappen öffnen und dann Abschirmmaterial als zusätzlichen Schutz über Ihren Köpfen installieren.

Die ESA stellte zudem fünf mobile Dosimeter – die EAD-MUs (ESA Active Dosimeter – Mobile Units) – an verschiedenen Stellen der Raumkapsel zur Messung der Strahlung bereit. Ein Vorläufersystem der Mobile Units kam schon von 2016 – 2017 auf der Internationalen Raumstation ISS zum Einsatz. Die Mond-Umrundung der Artemis-I-Mission ermöglichte es, die Strahlungsumgebung im tiefen Weltraum so vollständig wie möglich abzubilden. Die neuen Werte werden nun mit den ISS-Messungen verglichen – und so die Sicherheit der nachfolgenden Artemis-Missionen mit Besatzung bewertet. Später soll eine weiter entwickelte Version des EAD-MU-Systems an Bord des sogenannten Lunar Gateway – einer geplanten Raumstation in der Mondumlaufbahn – zum Einsatz kommen.

Die in der Orion-Kapsel verteilten Dosimeter der ESA wurden vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln gemeinsam mit ASRO, Finnland, konzipiert, getestet und gebaut. Die aktiven DLR-Messgeräte M-42 und passiven Sensoren in Helga und Zohar wurden vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln entwickelt und angefertigt.

„Die Detektoren messen unterschiedliche Strahlungsarten, sodass wir mit den Werten Rückschlüsse auf ihre biologischen Auswirkungen ziehen können.“, sagt Thomas Berger. Die beiden Messphantome im MARE-Projekt wurden dazu eigens der weiblichen Anatomie nachempfunden, um die besonderen Belastungen für Frauen bei Langzeitaufenthalten im Weltraum zu untersuchen.

Die jetzige Veröffentlichung von Ergebnissen in NATURE ist die erste einer ganzen Reihe. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von DLR, NASA und ESA analysieren den reichhaltigen Datenschatz an Strahlungsmesswerten des Orionflugs noch weiter. Momentan arbeiten Dr. Thomas Berger und sein Team des DLR-Projekts MARE am Vergleich der Strahlungsbelastung von Helga, die Messpuppe, die ohne Schutz flog, und Zohar, die bei der Mondumrundung die Strahlenschutzweste AstroRad trug.

Die Messung von Weltraumstrahlung – vom „Flickenteppich“ zum homogenen Datensatz
Weltraumstrahlung stammt aus verschiedenen Quellen wie solaren Teilchenereignissen, galaktischen kosmischen Strahlen oder den beiden, die Erde umspannenden und sehr strahlungsintensiven Van-Allen-Gürteln. Frühere Strahlungsdaten stammen hauptsächlich von der Internationalen Raumstation ISS und aus den Space-Shuttle-Missionen – und damit aus relativ erdnahen Höhen, die noch deutlich durch das Magnetfeld der Erde geschützt sind. Daten aus den Tiefen des interplanetaren Raums wurden bei verschiedenen unbemannten Missionen gewonnen, in denen Sonden durch das Sonnensystem (z.B. zum Mars) gereist sind. Und begrenzt gibt es Daten von den Apollo-Missionen zum Mond.

Kontinuierliche Strahlungsmessungen mit einer hohen räumlichen Auflösung gab es bislang nicht und wurden erstmals während der Artemis-I-Mission zwischen Erde und Mond durchgeführt.

Über das DLR-Experiment MARE
Das DLR leitet das Experiment MARE (Matroshka AstroRad Radiation 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. Die während Artemis I durchgeführten Messungen werden wertvolle Daten zur Risikobewertung und -minderung für künftige Langzeitmissionen liefern, um eine für den Menschen sichere Erforschung des Weltraums zu ermöglichen.

Publikation
Space radiation measurements during the Artemis I lunar mission
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07927-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07927-7.pdf

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: ESA 11. September 2023.

11. September 2023 – Die multizellulären Biofilme, die in Kombucha vorkommen, haben sich als vielversprechend erwiesen. Insbesondere wenn es um das Überleben in rauen Umgebungen auf der Erde geht. Daher haben Wissenschaftler*innen das Potenzial der Mikroorganismen untersucht, die extremen Bedingungen im Weltraum zu überstehen. Sie werden sogar als Biofabriken in Betracht gezogen, um selbstversorgende Lebenserhaltungssysteme für zukünftige Weltraumsiedlungen zu entwickeln.

Kombucha im All
In der Expose-Einrichtung der ESA wurden Experimente auf der Internationalen Raumstation durchgeführt, um herauszufinden, ob und wie Bakterien im Weltraum und unter simulierten Bedingungen auf dem Mars überleben können.

Die Proben wurden an der Außenseite der Raumstation platziert. Die Ergebnisse zeigten, dass der Mikroorganismus, ein Cyanobakterium, in der Lage war seine DNA zu reparieren und die Zellteilung fortzusetzen, nachdem er kosmischer Strahlung ausgesetzt war. Er widerstand sogar den zerstörerischen Eisenionen, die erhebliche Zellschäden verursachen.

Bei vielen Lebewesen regenerieren sich Gewebe wie die menschliche Haut oder bakterielle Biofilme, indem sie sich durch Zellteilungen ständig vermehren. Die Art und Weise, wie diese Zellen ihre Teilung stoppen, bis sie ihre DNA-Schäden behoben haben, ist nach wie vor ein Geheimnis. Forscher*innen vermuten, dass ein bestimmtes Gen – das sulA-Gen – hierbei ausschlaggebend sein könnte. Das sulA-Gen fungiert wie ein Verkehrssignal für Zellen. Es hält die Zellteilung an, bis die Zellen ihre DNA repariert haben, ähnlich wie eine rote Ampel Autos zum Anhalten auffordert. Dies ist ein wesentlicher Bestandteil des Sicherheitssystems einer Zelle. Dieser stellt sicher, dass mögliche Schäden behoben werden, bevor sich die Zellen weiter vermehren.

Ein weiteres Experiment zeigte, dass Zellcluster einen Mikrolebensraum für kleinere Spezies bieten. Das bedeutet, dass einige Zellen innerhalb größerer Zellgruppen, die diese kosmischen Reisenden schützen, im Weltraum mitreisen könnten.

Der Planetenschutz umfasst eine Reihe von Maßnahmen, die verhindern sollen, dass schädliche biologische und chemische Kontaminationen von der Erde auf andere Planeten, Monde oder Himmelskörper gelangen und umgekehrt. Durch Experimente wie diese können wir verstehen, wie Zellzusammenschlüsse und Biofilme sich vor den extremen Bedingungen im Weltraum schützen, um eine Kontamination zu verhindern und so die Reinheit von Weltraummissionen zu wahren. Darüber hinaus könnten sie auch dazu verwendet werden Organismen auf längeren Reisen durch den Weltraum abzuschirmen.

Mikroben können zudem ein wertvolles „Strahlungsmodell“ darstellen. Wenn Forscher*innen verstehen, wie diese Mikroorganismen auf Strahlung reagieren, können sie Erkenntnisse gewinnen, die zum Verständnis und zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit und des Wohlbefindens beitragen. Dazu gehört auch die Entwicklung von Strahlenschutzstrategien für Astronaut*innen im Weltraum.

Auf zum Mond und ab zum Mars
Zukünftige Artemis-Missionen zum Lunar Gateway könnten die Kultivierung von Mikroorganismen auf dem Mond beinhalten.

Petra Rettberg, Leiterin der Astrobiologie-Gruppe des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) betont: „Die Kulturen zeigen ein großes Potenzial, um die langfristige menschliche Präsenz auf dem Mond und dem Mars zu unterstützen.“

„Dank ihrer Fähigkeit, Sauerstoff zu produzieren und als Biofabriken zu fungieren, könnte diese Biotechnologie künftige Weltraummissionen und die Erforschung des Weltraums durch den Menschen erheblich verbessern“, fügt Nicol Caplin, ESA-Wissenschaftlerin für Weltraumforschung, hinzu.

„Ich hoffe, dass unsere Proben in Zukunft am Lunar Gateway angebracht werden oder sogar auf der Oberfläche des Mondes und darüber hinaus eingesetzt werden können. Bis es soweit ist, werden wir weiterhin die Möglichkeiten unserer Biokulturen erforschen.”

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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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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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Eine spezielle Arbeitsgruppe am Johnson Space Center der NASA (Human Spaceflight Architecture Team = HAT) hat sich darüber ausführlich Gedanken gemacht und dabei auch all die Kleinigkeiten berücksichtigt, die in Zukunftsvisionen oft unerwähnt bleiben. Michelle Rucker und Shelby Thompson legten dazu vor kurzem eine Dokumentation vor.

Zunächst wurden die Anforderungen an die Mission festgelegt. Zielvorgabe ist ein erdnaher Asteroid, der auf einer hochelliptischen Bahn erreicht werden kann. Dabei werden 157 Tage für den Anflug, 30 Tage für die Erforschung sowie 193 Tage für die Rückkehr in Erdnähe veranschlagt. Damit kommt man auf eine Missionsdauer von 380 Tagen. Für eine vierköpfige Besatzung wurde unter Berücksichtigung verschiedener Standards der NASA aber auch der besonderen Bedingungen für einen Flug, bei dem man keine zwischenzeitlichen Versorgungslieferungen von der Erde erwarten kann, eine konkrete Planung der benötigten Materialien, Arbeits- und Wohnräume sowie der erforderlichen Technik erarbeitet.

Ebenso berücksichtigt werden mussten Maximalvorgaben für die mit einem neuen Trägersystem verfügbaren Maße einer mit einem Start transportierbaren Nutzlast. Hier ging man von einer Länge bis zu 12 Meter und einem Durchmesser bis zu 7,30 Meter aus. Für das ermittelte Gesamtvolumen von 275 Kubikmeter ergeben sich damit für das Deep Space Habitat (DSH) eine Länge von 8 und ein Innendurchmesser von 7 Metern bei zylindrischer Form. Das Habitat soll zudem Kopplungsaggregate an beiden Enden für das Andocken einerseits an ein solarelektrisches Antriebssystem (SEP) am oberen Ende und ein Zubringerraumschiff vom Typ Orion am unteren besitzen. Außerdem sind auch an gegenüberliegenden Stellen der Seitenwände zwei Kopplungsaggregate vorgesehen. Das eine dient zum Andocken eines kleinen Forschungsfahrzeugs für 2 Personen, mit dem man bei mehreren Einzelmissionen unterschiedliche Stellen des Zielasteroiden anfliegen kann (Multi Mission Space Exploration Vehicle = MMSEV). Das andere dient als Reserve und Ausgang für eine Luftschleuse für Außenbordarbeiten.

Schließlich soll das Gesamtsystem noch mit einer kryogenen Antriebseinheit inklusive Tanks und eigener Energieversorgung für starke Beschleunigungs- und Bremsmanöver verbunden werden. Insgesamt ergibt sich damit eine Kette von 4 Hauptkomponenten mit dem MMSEV als zusätzlicher Huckepack-Nutzlast.

Im oben erwähnten Papier geht es allerdings in erster Linie um das Wohn- und Arbeitsmodul, das während der langen Überfahrten sowie in der Forschungsphase als alleiniger Aufenthaltsraum dienen soll. Dieser zylindrische Körper wird nun in 4 Decks eingeteilt. Die oberen 3 besitzen eine Höhe von 2,10 m und einen Durchmesser von jeweils 7 Metern bis auf eine kleine Rundung in Deck 1. Die Außenbereiche aller Decks dienen allerdings als Stauraum für Versorgungsgüter sowie als Montageorte verschiedener Systeme. Gleichzeitig bieten sie damit einen gewissen Schutz vor gefährlicher Strahlung.

Im Deck 1 (68 m³) finden sich Messe und Küche sowie Steuerungskonsolen für verschiedene Aufgaben. Dazu gehören die Unterstützung von Außenbordarbeiten, Teleoperationen, Training und Kommunikation. Damit wird Deck 1 nicht nur als Wohn- sondern auch als Arbeitsort genutzt. Durch diese geteilte Nutzung hat man gegenüber einem ersten Modell zusätzlichen Raum für dringend benötigte Subsysteme gewonnen.

Laut NASA-Richtlinie sind beim Entwurf eines bemannten Raumfahrzeugs individueller Lebenraum, gemeinsam genutzter Lebensraum, Raum für Flugoperationen, Raum für Missionsoperationen, Raum für Subsysteme, Lagerraum und Reserven zu berücksichtigen. Nach der Überarbeitung wurden dem Individualraum 19% (vorher 18%), dem Gruppenraum 13% (12%), für Flugoperationen wie Steuerung oder Lageregelung 15% (20%), für Missionsarbeiten wie Exkursionen, Ausstiege, die Untersuchung von Bodenproben u.ä. 14% (20%), für Subsysteme 29% (22%) und zur Lagerhaltung 8% (6%) eingeräumt. Die Reserve als Rückzugsraum in Notfällen liegt in beiden Fällen bei 2% (5,4 m³).
Deck 2 (81 m³) soll 4 um den zentralen Verbindungstunnel herum gruppierten Quartieren mit etwa 2 x 2 x 3 Metern Abmessungen Raum bieten. Darum angeordnet sind mehrere Wassertanks sowie weiteres Equipment, das einen zusätzlichen Strahlenschutz bietet.

Deck 3 (81 m³) ist das Arbeitsgeschoss. Hier befinden sich Ausstiegsschleuse, Durchgang zum Erkundungsfahrzeug, biologisch-medizinische Einrichtungen, der Trainingsbereich, Handschuhboxen und Arbeitstisch zur Untersuchung der eingesammelten Proben, Hygieneabteil und Lagerraum für Werkzeuge und Raumanzüge. Außerdem können hier Wartungsarbeiten an diesen Geräten vorgenommen werden.
Deck 4 (45 m³) ist nur etwa 1,70 m hoch und unten etwas abgerundet. Dieser Raum dient als weitläufiges Lager für Lebensmittel, Bekleidung, Hygieneartikel, Ersatzteile und vieles mehr. Die Kalkulation der HAT sieht beispielsweise 4.560 Einzelmahlzeiten und 7.600 Päckchen mit unterschiedlichen Getränkepulvern, vom Fruchtsaft bis zu Kaffee und Tee vor. Während die Unterwäsche täglich gewechselt werden soll, muss der Trainingsdress 3 Tage verwendet werden. Die normale Arbeitskleidung soll im Durchschnitt nach 10 Tagen gewechselt werden, warme Übersocken sollen 30 Tage halten. Berücksichtigen muss man auch feuchte und trockene Tücher zur Körperhygiene, Zahnpasta, Haarwaschmittel und natürlich Abfallbehälter. Auch die natürlichen Ausscheidungen des Menschen müssen entsorgt werden. Luft und Wasser sollen zumindest teilweise aufbereitet und wieder verwendet werden.
Insgesamt sind von den 275 m³ nur 132 frei nutzbar. Dies sind rund 33 m³ pro Besatzungsmitglied, etwa die Hälfte des Raumes, welcher der gewöhnlich sechsköpfigen Besatzung der Internationalen Raumstation zur Verfügung steht.

Der mehrstufige Design-Prozess der einzelnen Komponenten eines Tiefraumfahrzeuges soll auch in den kommenden Jahren fortgeführt werden. Die von der Bush-Administration in die Wege geleitete und vom gegenwärtigen Präsidenten der USA, Barack Obama, präzisierte Ausrichtung der US-Raumfahrt über die Erdbahn hinaus erfordert dazu weitere Anstrengungen.

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• HSF-Komitee (Human Space Flight, USA)
• Künftige Strategie der bemannten US Raumfahrt

Verwandte Seite:

• Entwurfspapier der NASA (PDF)

Der Beitrag NASA-Entwurf für Tiefraumhabitat konkretisiert erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Autor: Lars-C. Depka

Den Menschen, die bisher im Rahmen des Apolloprogramms die Oberfläche des Erdmondes besuchten, boten die aus wenig mehr als Gitterrohr und Alufolie bestehenden Landeeinheiten (LM für Lunar Module, oder auch LEM für Lunar Excursion Module) kaum bis gar keinen Schutz gegen die hochenergetische kosmische Teilchenstrahlung, die vor dem Hintergrund der fehlenden Atmosphäre ungehindert auf unseren lunaren Begleiter trifft. Weitergehender Schutz war wegen der relativ kurzen Aufenthaltszeit auf der Oberfläche auch nicht zwingend erforderlich, schließlich lag die durchschnittliche Verweildauer der Astronauten bei kaum mehr als 20 Stunden.

Etwas anders wird sich die Situation um das Jahr 2020 herum gestalten, wenn es nach den aktuell viel diskutierten Plänen einer bemannten Rückkehr zum Mond gehen soll. Mittelfristige Teile der Planung sehen im Zuge dessen einen ständig – mindestens jedoch über Monate hinweg – besetzten Außenposten in den Südpolargebieten vor, wobei dem Mondnordpol in den Planspielen ebenfalls eine gewisse Beachtung zuteil wird.

Ein vielleicht überraschenden Ansatz, sowohl Mensch als auch Material der zukünftigen Mondstation vor dem schädlichen Einfluss der kosmischen Strahlung und Sonnenflares (magnetischen Energieausbrüchen) zu bewahren, ist der Einsatz einer besonderen Art Decken und nicht starrer Schutzeinrichtungen, die beispielsweise einige Teile der ISS vor Mikroeinschlägen schützen.

Was sich zunächst wenig vertrauenerweckend anhört, ergibt bei näherer Betrachtung durchaus Sinn. Wegen des Auftreffens der hochenergetischen Partikel auf starre schildartige Strukturen entstehen Fontänen gefährlicher Sekundärpartikel, die das Risiko bergen, nicht nur krebsfördernd zu sein, sondern auch das menschliche Erbgut nachhaltig zu schädigen. Darüber hinaus sollen die Decken einen wichtigen Beitrag zur Energiegewinnung und -speicherung leisten.

Als weiteres wesentliches Designmerkmal spielt das Gewicht des zukünftigen Sicherheitskonzepts eine große Rolle. Sicherlich zunächst einmal sekundär beim späteren Einsatz in der reduzierten Schwerkraftumgebung auf dem Mond, primär jedoch bei der Frage, wie die benötigten Materialien dorthin gelangen sollen. Derzeit liegen die Kosten, um ein Kilogramm an Nutzlast nur in einen erdnahen Orbit zu befördern, bei mindestens 24.000 Euro. Externe Einflüsse, wie witterungsbedingte Startverzögerungen nicht mit berücksichtigt. Auf der Oberfläche angelangt, geht es schließlich darum, die Einsatzbereitschaft schnellstmöglich durch eine auf ein zunächst absolutes Minimum beschränkte Bodencrew herzustellen zu können. Einsatzanforderungen, denen textile Eigenschaften eines zukünftigen Sicherungskonzepts in die Karten spielen.

Grundbestandteil bildet demnach derzeit folgerichtig ein extremes Leichtpolymerverbundgewebe mit einer Zwischenschicht, die dem Strahlenschutz dient. Sie absorbiert und reflektiert die gefährlichen Strahlungseinflüsse und reduziert die Strahlenexposition im Bereich der ionisierenden Strahlung nach derzeitigem Entwicklungsstand in den Millisievert Bereich. In die Außenschicht des Gewebes soll eine Lage mit flexiblen Solarzellen eingearbeitet werden, um auf diese Weise gleichzeitig elektrische Energie erzeugen zu können.

Doch das ist nicht die einzige Möglichkeit, die dringend benötigte Energie auf dem Mond zu erzeugen. Das Prinzip des Stirlingmotors ist in Kombination mit kernreaktiven Elementen dabei eine weitere tragende Säule im Energiekonzept der Zukunft.

Der Stirlingmotor, auch Heißgasmotor genannt, ist eine Erfindung des frühen 18. Jahrhunderts und geht auf die schottischen Brüder Robert und James Stirling zurück. In dieser Wärmekraftmaschine wird ein Arbeitsgas (z. B. Helium) in einem geschlossenen Kreislauf von außen in zwei verschiedenen Bereichen erhitzt und abgekühlt. Die Ausdehnung, sowie die Kontraktion des Arbeitsgases ist demnach auch für die mechanische Energieerzeugung verantwortlich. Dieser Motor stellte zu seiner Zeit die effizienteste Möglichkeit der Umwandlung von thermischer zu mechanischer Energie dar.

Während das Prinzip des Stirlingmotors auch für den Mondeinsatz unverändert bleibt, sind hinsichtlich des Arbeitsgases vor dem Hintergrund radikal veränderter Umweltverhältnisse entsprechende Anpassungen erforderlich. Zunächst einmal ist der Austausch des klassischen Arbeitsgases durch ein Arbeitsmedium nötig, welches vermutlich in Form einer Kaliumnatriumtartratmischung den Wärmetransport übernehmen soll.

Die thermische Komponente liefert ein Uranreaktor. An seiner Außenseite befinden sich Kontrollspulen, die jeweils eine absorbierende und reflektierende Schicht aufweisen. Durch Ausrichtung der jeweils gewünschten bzw. notwendigen Seite zum Reaktorkern hin, wird der Fluss der austretenden Neutronen im notwendigen Maße beeinflusst und gesteuert. In der Anlaufphase sind die absorbierenden Spulenseiten vom Reaktorkern abgekehrt, so dass austretende Neutronen in den Kern zurückreflektiert werden. Das erhöhte Neutronenniveau löst eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion aus, deren Abfallprodukt (die Hitze) dem Stirlingkonverter zugeführt wird.

Eine Menge von einem kg Uran als Brennstoff würde nach Modellrechnungen bei einer zunächst benötigten Leistung von kalkulierten 40 kW eine Betriebszeit von 15 Jahren ermöglichen. Ob ein thermonuklearer Stirlingkonverter tatsächlich eine sichere Option im Rahmen des Lunarprojektes 2020 ist, wird sich jedoch erst in den kommenden Jahren entscheiden.

Quelle:
Harold S. Freeman von der North Carolina State University, Lars-C. Depka, Marshall Space Flight Center

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Autor: Martin Ollrom.

Die NASA hat der Gefahr auf den Mond ins Auge gesehen. Falls der Traum der Amerikaner, von einer bemannten Wissenschaftsstation am Mond wirklich realisiert werden soll, müssen sie ihre Astronauten am Mond vor gefährlichen Faktoren wie Sonnenstrahlung und Sonnenwind schützen. Da der Mond kaum eine Atmosphäre besitzt prall alles direkt auf die Oberfläche und wird nicht, wie auf der Erde, größtenteils von der Atmosphäre „verschluckt“ beziehungsweise abgelenkt. Nun hat die NASA ein elektromagnetisches Schutzfeld von hoch aufgeladenen und aufblasbaren Sphären entwickelt. Dies könnte dann dass Schutzschild für eine zukünftige Mondbasis sein, denn es würde die Strahlung ablenken. Ungleiche Ladungen ziehen sich an, wie man bei einem Magneten erkennen kann. Dies wird im Physik-Unterricht sehr häufig durchgenommen, dass es jedoch Menschenleben auf den Mond schützen könnte, ahnt zunächst niemand.

Das neue NASA Vision for Space Exploration Programm sieht vor, dass die Menschen spätestens 2020 wieder auf den Mond landen werden. Nicht nur eine Mondlandung ist geplant, ja sogar ein Flug zum Mars soll als längerfristiges Ziel angestrebt werden. Ein Faktor könnte der NASA jedoch die Show stellen: die Strahlung. Jenseits unserer schützenden Atmosphäre ist das Überleben hart. Da fliegt nicht nur allerhand Weltraummüll umher, sondern auch der unsichtbare, tödliche Feind: die Strahlung der Sonne oder sonstigen Weltraumobjekten. Die Wahrscheinlichkeit einer Krebserkrankung oder anderen lebensbedrohlichen Krankheiten steigt somit um ein vielfaches. Ein gut funktionierender Schutzschild ist somit Grundvoraussetzung für eine bemannte Mondbasis oder einen bemannten Mars-Flug. Am effizientesten kann man die Strahlung mit der Physik bekämpfen. Bestes Beispiel hierfür ist Beton um einen Atomreaktor. Jedoch kann man ein Raumschiff aus Beton bauen. Fände man Wasser auf den Mond könnte man vielleicht in Kombination mit dem Mondstaub eine Art Beton für die Raumstation mischen, aber für ein Raumschiff unmöglich. Es gäbe keine Startrakete die ein solches Ding in den Weltraum bringen könnte. Die NASA richtete speziell für dieses Problem eine eigene Arbeitsgruppe ein, die verschiedene strahlungsblockende Metalle testete (Aluminium, Plastik oder flüssiger Wasserstoff). Jedes hat Vorteile aber leider auch Nachteile. Somit wäre im ersten jegliche physikalische Möglichkeit fehlgeschlagen, alle brachten zu wenig Schutz für die Astronauten. Eine weitere Möglichkeit wurde gefunden und zwar ohne eine physikalische Substanz zu verwenden. Die einfallende Strahlung hat ihre bestimmte Ladung, also wieso nicht mit dem Magnetprinzip zurückschlagen, in dem man ein elektromagnetisches Schild um die Basis aufbaut, dass die selbe Ladung hat wie die Strahlung. Nun weiß jedes Schulkind was passiert: gleiche Ladungen…..richtig…..stoßen einander ab. Auf der Erde würde dies ja blendend funktionieren, doch gelten die Erdregeln nicht unbedingt auch für den Weltraum. Viele Forscher sind dieser Lösung gegenüber sehr skeptisch ob sie die Astronauten auch wirklich lang und effizient genug schützen. Charles Buhler und John Lane, beide Wissenschaftler vom NASA Kennedy Space Center glauben, dass dies machbar sei und auch den gewünschten Schutz biete. Dieser Vorschlag erhält nun auch Rückendeckung der NASA Arbeitsgruppe, die die Aufgabe hat, jeden sinnvoll erscheinenden Vorschlag zu unterstützen und mit zu finanzieren.

„Die Idee ein elektromagnetisches Schild zu verwenden ist nicht neu. Dies wurde schon Ende der 50er Jahren überlegt, als man auf das Strahlungsproblem gestoßen ist“, erklärt Charles Buhler. „Sie haben die Idee aber wieder schnell verworfen, da mit den Möglichkeiten und physikalischen Wissen von damals ein solches Schild unmachbar gewesen wäre.“ Buhlers Ansatz ist im Vergleich zu damals anders. Eine Basis würde von einem halben Dutzend aufblasbaren Sphären geschützt, jede fünf Meter groß. Sie wären elektrisch geladen und erreichen Spannungen bis zu 100 Megavolt. Diese Spannung ist sehr hoch, jedoch wird die elektrische Strömung sehr niedrig sein. So wird kaum mehr Energie benötigt um die Spannung zu erhalten. Die Sphären würden aus einem Material bestehen (wie sie auch schon bei den Mars Exploration Rover verwendet wurden), überzogen mit einer dünnen Schicht eines Stromleiters, wie zum Beispiel Gold. Diese Sphären sind aufblasbar und können für den Transport zusammengeklappt werden. Man kann die Sphäre jederzeit und einfach wieder mit elektrischer Ladung aufladen. Die Ladung der Elektronen in der Goldschicht wehrt jede gleiche Ladung ab und macht das ganze so undurchlässig für Sonnenstrahlung oder anderen Strahlungen. Sollte doch einmal Strahlung dieses Schutzschild durchdringen wird es auf einem Niveau abgesenkt sein, dass es für den menschlichen Körper ungefährlich sein wird.

Die Sphären müssen selbstverständlich weit über den Köpfen der Astronauten auf einer Basis angebracht werden, um die Astronauten nicht mit dem Schutzschild zu gefährden. Forscher können die Effizienz und Stärke dieses Schilds nur erreichen, wenn es auch weit von Astronauten entfernt angebracht wird. Ein weiteres Problem ist, dass die Sonnenteilchen beide Ladungen haben können. Eine Art würde ein Schutzschild immer durchlassen, eben das ungleiche des Schutzschildes, diese Teilchen würden vom Schutzschild sogar noch angezogen. Buhler und Lane haben auch für dieses Problem bereits eine Lösung. Es wird einfach ein zweifaches Schutzschild aufgebaut. Das von der Basis weiter entfernte wird negative Teilchen abwehren, weil der Großteil negativ ist, was von der Sonne alles angeflattert kommt. Näher der Basis wird noch ein Schutzschild installiert, dass die restlichen positiven Teilchen eliminieren soll. In der Theorie wären die Astronauten jetzt 100 Prozent sicher. Das klingt alles wunderschön, jedoch konnten noch viele Fakten nicht getestet werden. Zum Beispiel ist der Einfluss des Mondstaubes, der selbst von der Sonnenstrahlung geladen ist, auf dem Schutzschild noch nicht getestet. Fliegender Mondstaub könnte das Schutzschild von innen her schwächen und so den Schutz der Astronauten aufheben. Der Mondstaub könnte den Schutzschild zu einem Schweizer-Käse machen. „Die Forschungen werden fortgesetzt“, erklärt Buhler. „Eines Tages wird man auf den Mond oder Mars ungefährdet arbeiten können und zwar mit einer Technik, die jedes Schulkind versteht“, hofft Buhler.

Die Hoffnung hat wohl jeder Techniker der NASA. Während Kirk und Picard ihre Schilde nur hochfahren, wenn ein Gegner im Begriff ist die Enterprise anzugreifen, braucht es bei uns lediglich den normalen Sonnenwind um unsere Schilde aktivieren zu müssen.

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Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: New Scientist.

Eine Studie von New Scientist über die kräftigste Sonneneruption der letzten 500 Jahre zeigt, dass eine Sonneneruption ähnlicher Stärke in Zukunft Astronauten in einem schlecht geschützten Raumfahrzeug töten würde. Gleichzeitig wurde auch in der British Science Weekly ein Artikel veröffentlicht, in dem das erhöhte Risiko von Astronauten während des Fluges zum Mars aufgezeigt wurde. Falls das Raumfahrzeug nicht aus den richtigen Materialien besteht könnte die Strahlung nicht genug abgeschirmt werden und eine hohe Gefahr für die Astronauten darstellen.

Durch Sonneneruptionen werden hochenergetische Protonen durch das Sonnensystem geschossen, deren Strahlung ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko für Astronauten darstellt. Verglichen zu den Apollo Missionen zum Mond die nur ein paar Tage dauerten, steigt die Gefahr enorm an, wenn Astronauten Monate zum Mars reisen würden. Im Januar diesen Jahres musste sich die Crew der ISS (internationale Raumstation) aufgrund einer starken Serie von Sonneneruptionen im russischen und besser abgeschirmten Modul verbarrikadieren um keinen ernsthaften gesundheitlichen Schaden zu nehmen.

Die freigewordene Strahlung der Sonneneruptionen konnten die Wissenschaftler nur in den letzten vier Jahrzehnten direkt messen. Aber Lawrence Townsend und seine Kollegen von der Universität in Tennesse errechneten die Strahlungsaktivitäten bis zu 500 Jahre zurück. Das konnten sie dadurch realisieren, dass die Sonneneruptionen ihre Spuren im Eis auf der Erde hinterlassen. So konnten Townsend und sein Team auf Grönland das Eis untersuchen und die Strahlungsaktivitäten bis zu 500 Jahre zurückrechnen. Bei der Auswertung wurde die stärkste Strahlung vor 150 Jahren festgestellt. Ein britischer Astronom hatte 1859 diese Sonneneruption gesehen und dokumentiert. Die Strahlung dieser Sonneneruption erzeugte Nitrate und Beryllium-10 in der oberen Erdatmosphäre. Diese Rückstände konnten im Eis in Grönland wieder gefunden werden. Bei der Analyse der Eisproben konnten die Wissenschaftler errechnen, dass die Erde von 20 Milliarden hochenergetischen Protonen pro Quadratzentimeter getroffen wurde, mehr als zu irgendeiner anderen Sonneneruption der letzten 500 Jahre. Die letzte starke Sonneneruption fand im August 1972 statt.

Laut New Scientist hat Townsends Team nun diese Information genutzt und die Strahlungsbelastung auf die Astronauten bei verschiedener Beschilderung des Raumfahrzeuges errechnet. Diese Studie zeigte, dass Astronauten hinter ein paar Zentimeter Aluminium, der Beschilderung wie sie bei den Raumfahrzeugen heutzutage normalerweise verwendet wird, bei starken Sonneneruptionen stark verstrahlt und sterben würden. „Aluminium ist kein gutes Schild gegen Strahlungen“, sagte Townsend. „Wir suchen nach alternativen Materialien wie Polyethylen oder Karbonschaum welcher mit Wasserstoff imprägniert wird. Eine Tragöde kann aber nur verhindert werden, wenn zukünftige Raumfahrzeuge ein anderes Material als Aluminium verwenden.“

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