Quelle: DLR 21. Oktober 2022.

Am 21. Oktober 2022 um 9:25 Uhr startete die Forschungsrakete MAPHEUS-12 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) von der schwedischen Raketenbasis ESRANGE nahe Kiruna. Sie erreichte eine Höhe von rund 260 Kilometern und segelte dann an einem Fallschirm zurück zur Erde. Mit an Bord erstmals Nervenzellen mit Blick auf deren abweichende elektrische Signale in Schwerelosigkeit. Zudem untersuchte das Forschungsteam im Zusammenhang mit der Entstehung von Krebs, wie sich die Polarität von Zellen unter „Zero-G“ verhält. Einen Testlauf unter Weltraumbedingungen gab es mit dem Flug für neuartige Solarzellen ebenso wie für eine Verschlüsselungstechnik, die zukünftig Daten von Lebenserhaltungssystemen und Raumfahrzeugen schützen soll. Erstmals kam eine wiederverwendbare Zündeinheit in der Oberstufe zum Einsatz.

„Mit MAPHEUS-12 haben wir ein äußerst vielseitiges Experimentpaket für rund sechs Minuten in die Schwerelosigkeit des nahen Weltraums befördert und anschließend sicher geborgen“, sagt der wissenschaftliche Projektleiter der Mission Prof. Thomas Voigtmann vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum. „Wir sind froh die sensiblen Nervenzellen, Meeresorganismen und Materialexperimente in gutem Zustand nach idealem Flug zurück auf der Erde zu haben.“ Nach ihrem 15-minütigem Flug landete die Nutzlast sanft per Fallschirm rund 70 Kilometer vom Startplatz entfernt in der nordschwedischen Tundra. Anschließend flog ein Bergungsteam zur Landestelle und transportierte die Nutzlast am Hubschrauber hängend zurück zur Startbasis. Dort begann direkt die Sicherung der gesammelten Daten.

Upgrade an Forschungsrakete und Bodenstation
Die 11,5 Meter lange und mehr als 1,6 Tonnen schwere Rakete ist bereits die zwölfte, die im Rahmen der MAPHEUS-Experimentreihe erfolgreich von der Abteilung Mobile Raketenbasis (MORABA) der DLR Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining gestartet wurde. „Diesmal hatte die zweistufige Rakete erstmals ein neues Service-Modul an Bord, das eine zehnmal schnellere Kommunikation mit der Bodenstation und präzisere Lageinformationen mit komplett neu gestalteter Elektronik, Mechanik und Software bietet“, erklärt MORABA-Projektleiter Alexander Kallenbach. „Das neue Modul dient nun als Basis für die weitere Entwicklungen in Richtung intelligenter on-board Systeme, die im MAPHEUS-D Projekt geplant sind.“ Zudem kam bei MAPHEUS-12 erstmals eine wiederaufbereitete Zündeinheit bei der Oberstufe zum Einsatz, die bereits an Bord von MAPHEUS-9 geflogen war. Am Boden kam mit der Mission erstmals ein neuartiges Telemetrie-System zum Einsatz. Dieses ermöglicht die an verschiedenen Bodenstationen empfangenen Signale der Rakete direkt an die jeweiligen Steuerungskonsolen für Experimente und Supportsysteme zu verteilen. Diese neue Entwicklung basiert auf Komponenten des Holistic Control Centers (HCC), welches eine moderne, flexible und Service-orientierte Infrastruktur für alle künftigen Raumflugmissionen am Deutschen Raumfahrt-Kontrollzentrum (GSOC) bieten wird. „Wir sind begeistert, dass die Software jetzt erfolgreich Ihren ‚Jungfernflug‘ absolvieren konnte“, freut sich Prof. Felix Huber, Leiter der DLR Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining. „Dieser Erfolg gibt dem HCC-Konzept den nötigen Schub, nun bald auch bei orbitalen Missionen genutzt zu werden.“

Premiere: Neuronale Netzwerke in Schwerelosigkeit
Ihren „Jungfernflug“ erlebten auch die Nervenzellen an Bord von MAPHEUS-12. Diese konnten während des Kurzzeitraumfluges direkt auf elektrophysiologischer Ebene untersucht werden. Das neuronale Netzwerk des Experiments MEA (Multi-Elektroden-Array) besteht dabei aus kultivierten Primärneuronen, die sich über zwei Chips verteilen. Diese finden in einer vakuumdichten Kammer bei 37 Grad Celsius ideale Lebensbedingungen vor. „Während des Fluges konnten die Aktionspotentiale einzelner neuronaler Zellen sowie die Aktivität des gesamten Netzwerks aufgezeichnet werden“, berichtet Dr. Christian Liemersdorf vom DLR-Institut für Luft- und Raufahrtmedizin. Aktionspotentiale sind die elektrischen Signale, die zwischen Neuronen im Gehirn und dem zentralen Nervensystem ausgetauscht werden. Die Schwerelosigkeit steht im Verdacht, Einfluss auf die neuronalen Verbindungen im Gehirn zu nehmen. „Vermutlich ist dies ein wesentlicher Grund, warum Astronautinnen und Astronauten während ihres Aufenthalts im Weltall oftmals unter gewissen kognitiven Einschränkungen leiden“, ergänzt Liemersdorf. „Wir werten die gesammelten Daten nun detailliert aus, um diese möglichen Zusammenhänge genauer zu verstehen.“ Wegen der Empfindlichkeit der Neuronen war es bisher nicht möglich auf der Internationalen Raumstation ISS mit diesen zu experimentieren.

Zusammenhänge von Krebs, Zell-Polarität und Schwerelosigkeit
Der nur 0,5 Millimeter kleine Meeresorganismus Trichoplax adhaerens – das einfachste mehrzellige Lebewesen der Welt – kann zwischen oben und unten unterscheiden und damit Schwerkraft wahrnehmen. Rund 450 Exemplare dieser Kleinstlebewesen, die lediglich aus einem oberen und einem unteren Zell-Epithelium bestehen, flogen im Experiment GraviPlax mit MAPHEUS-12 ins All. Im Interesse des internationalen Forschungsteams steht, wie der Organismus genetisch auf die Schwerelosigkeit reagiert und wie sich daraus etwas über die Mechanismen der Krebsentwicklung lernen lässt. „Trichoplax adhaerens besitzt alle wichtigen Gengruppen, die mit dem Verlust der Polarität und damit der Ausbildung von Krebszellen in Zusammenhang gebracht werden können“, erklärt Dr. Jens Hauslage vom Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. Damit lassen sich Erkenntnisse auch auf höhere Organismen übertragen. Die finalen Auswertungen der Proben werden in den nächsten Wochen im Labor in Hannover stattfinden. Nun wollen die Forschungspartner des DLR, der Tierärztlichen Hochschule Hannover (TiHo) und der australischen La Trobe Universität in Melbourne noch genauer verstehen welchen Einfluss die Gravitation auf die Ausbildung von Polarität und deren evolutiven Einfluss hat.

Ein Spion reist huckepack
Huckepack auf der GraviPlax-Platine reist der Versuchsaufbau des Experiments 007/Blofeld, bei dem gemeinsam mit dem Industriepartner adesso SE die Sicherheit verschlüsselter Sensor-Datenströme unter Weltraumbedingungen getestet wird. „In Raumfahrzeugen und Lebenserhaltungssystemen nimmt der Betrieb und die Überwachung von Umwelt- und Vitalparametern eine immer größere Rolle ein. Dabei ist nicht nur eine abhörsichere Verbindung zu den Sensoren, sondern auch die Validität der Daten besonders wichtig.“, erklärt Software Architekt Christian Kahlo. Für den Versuch greift ein implementierter „Spion“-Chip verschlüsselte Temperaturdaten ab. Dieses Experiment soll zeigen, das selbst abgehörte Daten für den Spion nicht zu verwenden sind und die Daten für den Empfänger valide bleiben.

Weitere Experimente
Darüber hinaus wird im Experiment RAMSES gemeinsam mit der Universität Konstanz in einem Analogsystem die gerichtete Bewegung von Bakterien untersucht, was zukünftig einmal hilfreich bei der gezielten Einbringung pharmazeutischer Wirkstoffe sein könnte. Im Projekt SVALIN analysiert ein Forschungsteam der TU München federführend wie die Umgebungsbedingungen im All neuartige auf MAPHEUS-12 montierte Solarzellen beeinflussen. Gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für neue Materialien wird im Experiment SOMEX/ARNIM-II die Agglomeration von Gold-Nanoteilchen in Schwerelosigkeit mit Blick auf zukünftige Anwendungen in der Mikroelektronik untersucht.

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• Höhenforschungsraketen

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Quelle: DLR.

31. Januar 2022 – Normalerweise mögen es Plattentiere schon etwas wärmer. Für die Wissenschaft hat es das einfachste mehrzellige Tier der Welt nach Nordschweden verschlagen – und von dort aus für kurze Zeit in die Schwerelosigkeit. An Bord der Höhenforschungsrakete MAPHEUS-9 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hoben die Meeresorganismen am 29. Januar 2022 erfolgreich vom Raketenstartplatz ESRANGE (European Space and Sounding Rocket Range) ab. Auch drei weitere Experimente aus dem Bereich der Physik, Werkstoffforschung und Fertigungstechnologie konnten sich über sechs Minuten und zehn Sekunden in Schwerelosigkeit freuen.

Die 11,7 Meter lange Rakete mit einem Startgewicht von 1,7 Tonnen erreichte in den knapp 15 Minuten zwischen Start und Landung eine maximale Höhe von 254 Kilometern. Die Nutzlast mit den wissenschaftlichen Experimenten flog nach dem Abtrennen der Booster eine Höhenparabel. Sie landete gebremst durch einen Fallschirm und wurde per Helikopter geborgen. Die Abteilung Mobile Raketenbasis (MORABA) des DLR hat die Flugkampagne vorbereitet und durchgeführt. Außerdem stellt sie Bergungssystem, Service-Modul, Kaltgaskontrollsystem, Trenn- und Zündsysteme, Telemetrie-Station, Startrampe und die Raketenhardware bereit.

GraviPlax: Wie formte die Gravitation das Aussehen von Zellen und Organismen?
Trotz ihres einfachen Aufbaus können Plattentiere – Trichoplax adherens – zwischen oben und unten unterscheiden, also Schwerkraft wahrnehmen. Rund 450 Exemplare dieser nur 0,5 Millimeter großen Meeresorganismen waren an Bord der MAPHEUS-9-Mission. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler interessierten sich vor allem dafür, wie sich die Schwerelosigkeit auf die Plattentiere auswirkt. „Wir schauen uns die genetischen Reaktionen der Organismen in Schwerelosigkeit an. Besonderes Augenmerk richten wir auf die Gengruppen, die für die Polarität, also den Aufbau unserer Zellen im Körper, verantwortlich sind. Die Polarität geht bei der Entstehung von Krebs verloren“, fasst Gravitationsbiologe Dr. Jens Hauslage vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin zusammen. Im Projekt GraviPlax (Gravitation/Trichoplax) arbeitet das DLR mit Teams der Tierärztlichen Hochschule Hannover (TiHo) und der australischen La Trobe Universität in Melbourne eng zusammen. Diese führen die molekularbiologischen Analysen durch, um die Auswirkungen auf die Zellen genau nachzuvollziehen. Die winzigen Organismen haben alle wichtigen Gengruppen, die notwendig sind, um diese grundlegenden Mechanismen zu untersuchen und besser zu verstehen.

GRASCHA: Wie erhalten Granulate ihre Eigenschaften?
Granulate sind körnige Feststoffe wie beispielsweise Pulver, Erdboden oder Kies. Ihre physikalischen Eigenschaften lassen sich nicht so einfach verstehen. Denn sie hängen entscheidend davon ab, wie eng ein Granulat aufgeschüttet oder in der Fachsprache „gepackt“ ist und wie verdichtet beziehungsweise komprimiert es ist. Im Experiment GRASCHA (GRAnular Sound CHAracterization oder GRAnulat SCHAll) dienen kugelförmige Teilchen aus Glas mit Durchmessern von drei bis vier Millimetern als Granulat. Mit ihrer Hilfe will das wissenschaftliche Team bestehende und neue Theorien testen, die den Verlust der mechanischen Stabilität von Granulat-Packungen erklären. „Wir haben die Chance, grundsätzlich zu verstehen, wie Granulate ihre Eigenschaften erhalten“, erklärt DLR-Forscher Dr. Karsten Tell vom Institut für Materialphysik im Weltraum. „Wichtig ist das unter anderem im Bereich der Geophysik. Wenn man zum Beispiel verstehen will, warum der Erdboden manchmal plötzlich anfängt zu rutschen. Er besteht aus lauter festen Teilchen. Geringe Änderungen in deren Anordnung können dazu führen, dass sich der Erdboden nicht mehr fest verhält, sondern eher wie eine Flüssigkeit.“ Neben Erdrutschen ließen sich mit diesem Wissen auch Lawinen besser erklären. Die Erkenntnisse können zudem für die chemische und pharmazeutische Industrie interessant sein. Denn dort finden oft pulverförmigen Stoffe Verwendung, die man verfahrenstechnisch möglichst gut verarbeiten, fördern und vermischen will. Gleiches gilt für Sand und Zement in der Bauindustrie. Die Phase der Schwerelosigkeit während des MAPHEUS-9-Flugs erlaubte es, die Teilchen des Granulats so locker anzuordnen, dass sie gerade noch Kontakt miteinander hatten. Auf der Erde lässt sich dieser Zustand aufgrund der Schwerkraft und des hydrostatischen Drucks nicht herstellen. Bei der kleinsten Vibration verliert die Granulat-Packung in der Schwerelosigkeit ihre Stabilität – in der Fachsprache als Schermodul bezeichnet. Genau dieser Vorgang interessiert die Forschenden am meisten. Um ihn zu untersuchen, messen sie die Geschwindigkeit von Schall- und Scherwellen. Daraus geht hervor, wie schnell der Schermodul absinkt, wenn der Packungsdruck verringert wird.

MARS: 3D-Druck mit Pulvern in Schwerelosigkeit
Zum dritten Mal machte sich das MARS-Experiment (Metallbasierte Additive Fertigung für Raumfahrt- und Schwerelosigkeitsanwendungen) auf die kurze Reise ins All. Im Fokus standen weitere Arbeiten, um 3D-Druck vor allem mit pulverförmigen Substanzen unter Schwerelosigkeit zu erforschen. Ein erstes Werkstück aus metallischem Massivglas hatte das DLR-Team vom Institut für Materialphysik im Weltraum bereits bei den vorangegangenen Flügen hergestellt. Nun galt es, den Prozess weiter zu optimieren: „Die Herausforderung besteht vor allem darin, das Pulver in kurzer Zeit unter Schwerelosigkeit oder bei wenig Gravitation gleichmäßig auf die Oberfläche aufzutragen“, beschreibt DLR-Forscherin Mélanie Clozel. „Mit jedem Flug unseres Experiments in die Schwerelosigkeit haben wir die Möglichkeit, unsere Ansätze weiterzuentwickeln, zu testen und so unser Know-how zu vergrößern.“ Metallisches Massivglas zeichnet sich durch seine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Beides sind wichtige Eigenschaften für den Einsatz im Weltraum. In Zukunft könnten mit 3D-Druck Komponenten auch direkt im All gefertigt werden, zum Beispiel auf Raumstationen. Auf der Oberfläche von Mond oder Mars könnte auch Regolith – pulverförmigem Gesteinsstaub – verwendet werden, um beispielsweise Bauteile herzustellen.

SOMEX: Weiche Materie unter der Laser-Lupe
Die Experiment-Plattform SOMEX (SOft Matter EXperiments) ermöglicht unterschiedliche Versuche mit weicher Materie in der Schwerelosigkeit. Auch sie war bei der Flugkampagne MAPHEUS-9 erneut mit dabei. Unter weicher Materie versteht man eine Vielzahl von Materialien, die aus zwei Phasen bestehen. Sie befinden sich zwischen den Aggregatzuständen fest und flüssig. Dazu zählen zum Beispiel Gele und zähflüssige Flüssigkeiten wie Seife oder Farbe, Granulate, Schäume und auch biologische Zellen. Mit Hilfe von Lasermessverfahren sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieses Mal zwei physikalischen Phänomenen auf die Spur gegangen: Mit Hilfe von künstlichen Mikroschwimmern wollen die Forschenden Bewegungseffekte besser verstehen, wie man sie von lebenden Organismen kennt. Dazu zählt beispielsweise die Schwarmbildung von Bakterien. Sie nutzten dazu winzig kleine Glaskügelchen, die in einem Lösungsmittel schwammen. Diese waren mit einer Beschichtung versehen, die Licht sehr stark absorbiert. Bestrahlt man die Glaskügelchen mit einem Laser, nehmen sie das Licht beziehungsweise die Wärmeenergie auf und bewegen sich. Außerdem untersuchten sie – ergänzend zum Experiment GRASCHA – ebenfalls Granulate: Im Mittelpunkt stand auch hier die Frage, wie sich die einzelnen Partikel des Granulats bewegen. So lassen sich auf experimentellem Weg neue Erkenntnisse über die Struktur und Dynamik solcher Systeme gewinnen und mit theoretischen Modellen vergleichen.

Über MAPHEUS:
Das MAPHEUS-Höhenforschungsprogramm (MAterialPHysikalische Experimente Unter Schwerelosigkeit) des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum wird bereits seit 13 Jahren durchgeführt. Es ermöglicht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern innerhalb und außerhalb des DLR einen unabhängigen und regelmäßigen Zugang zu Experimenten in Schwerelosigkeit. Dabei gehen Fortschritte im Bereich der Messtechnik und die Realisierung hochentwickelter Flughardware Hand in Hand mit richtungsweisenden Experimenten im Bereich der Material- und Lebenswissenschaften. Aufgrund der Corona-Pandemie mussten die geplanten Flüge umgestellt werden: Die Kampagne 11 fand im Mai 2021 statt, gefolgt von der Kampagne 10 im Dezember 2021. Angetrieben wurde die Höhenforschungsrakete zum dritten Mal von einer IM-IM-Konfiguration. IM steht für Improved Malemute und bezeichnet den zivil genutzten Feststoffmotor der militärischen Boden-Luft-Rakete PATRIOT PAC-2.

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• Hoehenforschungsraketen

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Quelle: Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover.

6. Dezember 2021 – Heute um kurz nach 9 Uhr startete im Norden Schwedens nahe der lappländischen Stadt Kiruna vom Raketenstartplatz ESRANGE (European Space and Sounding Rocket Range) eine Höhenforschungsrakete des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) für einen knapp viertelstündigen Parabelflug. Die Rakete erreichte eine Höhe von etwa 259 Kilometern und kehrte anschließend per Fallschirm auf die Erde zurück. Aufgrund der tiefen Temperaturen von bis zu minus 40 Grad Celsius war es bisher noch nicht möglich, die Rakete mit dem Helikopter zu bergen. Etwa sechs Minuten des Fluges befand sich die Rakete in der Schwerelosigkeit. Unter anderem mit an Bord: Ein Experiment, das Gravitationsbiologen des DLR gemeinsam mit Forschenden des Instituts für Tierökologie der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo) durchführten. Sie untersuchten das Verhalten von Trichoplax adhaerens in der Schwerelosigkeit. Es ist das erste Mal, dass der Modellorganismus Trichoplax ins All geflogen ist.

Um das Verhalten von Trichoplax in der Schwerelosigkeit beobachten zu können, installierten die Forschenden in einem der Modultöpfe, aus denen die Rakete unter anderem zusammengesetzt ist, ein Mikroskop. „Wir waren sehr gespannt, wie sich das Tierchen in der Schwerelosigkeit verhalten wird“, sagt Professor Dr. Bernd Schierwater, der das Institut für Tierökologie an der TiHo leitet und bereits seit 30 Jahren mit Trichoplax arbeitet. „Welche Effekte hat die Gravitation auf den Organismus oder speziell, wie gerichtet wachsen die Zellen, wenn der Richtungsgeber Schwerkraft entfällt?“ In Schweden vor Ort sind Dr. Jens Hauslage vom DLR und Moritz Schmidt und Pia Reimann, die beide ihre Doktorarbeit im Institut für Tierökologie anfertigen. Um das Verhalten von Trichoplax auf der Erde und in der Schwerelosigkeit miteinander vergleichen zu können, zeichnete eine Kamera am Mikroskop auf, wie sich der einfache Vielzeller in der Schwerelosigkeit bewegt.

Trichoplax adhaerens spielt in der Evolutionsforschung eine wichtige Rolle. Die Tiere haben die primitivste Struktur unter den Vielzellern und gelten als Ursprungsorganismen aller Tiere. Es ist nur wenige Millimeter groß und weltweit in allen warmen Meeren zu Hause. Die Tiere besitzen keine Körperachse, also weder Kopf noch Rumpf. In ihrem abgeflachten, scheibenförmigen Körper finden sich auch keine Gewebe oder Organe. Sie bewegen sich im seichten Wasser amöbenartig über Steine oder Korallen fort, dabei verändern sie fortlaufend ihre Form.

Das Genom von Trichoplax adhaerens ist mit nur 97 Millionen Basenpaaren das kleinste Genom, das bei vielzelligen Tieren (Metazoa) bekannt ist. Das sind nur etwa ein Zehntel so viel Gene wie der Mensch besitzt. Schierwater veröffentlichte die Sequenz des Genoms im Jahr 2008 gemeinsam mit amerikanischen Forschenden. Es weist einige Überraschungen auf: Obwohl Trichoplax weder Sinnes- noch Nervenzellen oder sogar Augen, besitzt, finden sich beispielsweise im Genom ein ganzes Dutzend Opsingene. Diese Gene spielen eine Rolle bei der Lichtwahrnehmung. Vorhanden sind auch eine Vielzahl von sogenannten Achsen- und Symmetrie-Genen, die bei höheren Tieren die Kopf-Schwanz- und Bauch-Rücken-Achse festlegen. Und das obwohl Trichoplax weder Symmetrien noch Körperachsen besitzt. Da Trichoplax alle prinzipiellen Gene besitzt, die auch beim Menschen vorkommen, eignet es sich gut als Modellorganismus, um grundlegende Mechanismen zu untersuchen. Schierwater und Kollegen interessiert speziell die Entstehung von Krebs. Genetische Studien im All können beispielsweise helfen, die Gene zu finden, die unkontrolliertes Krebswachstum auslösen.

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