Neues ISS-Experiment soll Sauerstoff und Nahrung für Astronauten verbessern

Ein langer Weg ins Weltall

Auf der internationalen Raumstation ISS wird aktuell das Wachstum von Bakterien untersucht, die in der Lage sind, Sauerstoff und essbare Biomasse zu produzieren. Entwickelt wurde das Experiment von Mikrobiologen des belgischen Studiencentrums für Kernenergie (SCK-CEN) in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

DLR-Foto: Joachim Strenge (DLR-Mitarbeiter) simuliert die Experimente, die Astronauten später auf der ISS durchführen, im Biolab des DLR-Instituts für Raumfahrtmedizin. 

Die Versorgung von Astronauten mit frischen Lebensmitteln und Sauerstoff ist eine der wichtigsten Herausforderungen für bemannte Langzeitmissionen wie beispielsweise der Reise zum Planeten Mars.

Alles, was unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit produziert werden kann, spart Platz, Gewicht und trägt auch zur Sicherheit von Weltraummissionen bei.

Eine Arbeitsgruppe um die belgische Biologin Dr. Natalie Leys sieht in dem Bakterium Arthrospira einen vielversprechenden Kandidaten für den Einsatz im Weltall.

Bei dem Experiment Arthrospira handelt es sich um ein mit Algen verwandtes Cyanobakterium, welches Sauerstoff und Biomasse produzieren kann. Das macht diese Bakterien interessant für Lebenserhaltungssysteme, da sie CO2 und Nitrat zu Sauerstoff und großen Mengen Biomasse umwandeln können.

Durch ihren hohen Gehalt an essentiellen Aminosäuren sind Cyanobakterien der Gattung Spirulina schon als Nahrungsergänzungsmittel auf der Erde bekannt.

Bevor Arthrospira auf dem Speiseplan der Astronauten steht, müssen jedoch umfangreiche Testreihen durchlaufen werden. Ein vorläufiger Höhepunkt sind dabei die Experimente im Biolab der ISS, die im Auftrag der ESA auf der Raumstation durchgeführt werden.

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Satellit „Eu:CROPIS“ wird zwei Gewächshäuser für Mars und Mond betreiben

Die Umsetzung einer Weltraummission ist wie ein Rennen in Etappen – nur wenn erste Modelle eines Satelliten erfolgreich getestet wurden, fällt der Startschuss für den Bau des eigentlichen Flugmodells.

Für den Satelliten Eu:CROPIS des Deutschen Eu:CROPISZentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der zwei Gewächshäuser im All unter Mond- und Marsbedingungen betreiben wird, ist dieser nächste Meilenstein nun erreicht: Der Bau des Flugmodells kann beginnen.

Die Ziellinie liegt dabei bereits fest – in der zweiten Jahreshälfte 2017 sollen der Satellit und seine wissenschaftliche Nutzlast mit der Falcon 9 von Space-X in Richtung All starten.

„Bis Frühjahr 2017 werden wir im DLR Bremen das Flugmodell bauen und ausgiebig für den Flug testen“, erläutert Ingenieur Hartmut Müller, Projektleiter für den Bau des Satelliten am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme.

Mikroorganismen und Augentierchen als Helfer

Der Satellit Eu:CROPIS soll während seiner Mission in 600 Kilometern Höhe rotieren und dabei in seinem Inneren für sechs Monate zunächst die Schwerkraft von Mond und anschließend sechs Monate lang Mars-Gravitation erzeugen. Dabei sollen Tomatensamen unter den überwachenden Augen von 16 Kameras keimen und kleine Weltraum-Tomaten entwickeln.

Die entscheidenden Helfer, die dies ermöglichen, fliegen mit ins All: Zum einen wird ein ganzes Konsortium von Mikroorganismen in einem Rieselfilter dafür sorgen, dass aus künstlichem Urin ein bekömmlicher Dünger für die Tomaten entsteht, zum anderen sind Augentierchen – der Einzeller Euglena – mit an Bord, um das geschlossene System zusätzlich vor überschüssigem Ammoniak zu schützen und zudem Sauerstoff zu liefern.

LED-Licht wird für Augentierchen und Tomatensamen einen Tag- und Nachtrhythmus liefern, ein Drucktank für irdische Atmosphäre sorgen.

Tomaten für die Astronauten-Crew Eu:CROPIS

„Wir simulieren und testen letztendlich Gewächshäuser, die auf Mond oder Mars im Inneren eines Habitats stehen könnten und für eine Crew vor Ort frische Lebensmittel liefern, indem sie in einem geschlossenen System Abfälle kontrolliert in Dünger umwandeln“, sagt DLR-Biologe Dr. Jens Hauslage, der die Mission wissenschaftlich leitet. In einem Mondhabitat zum Beispiel wäre das Gewächshaus im Inneren – dort, wo auch die Astronauten sich in einer erdähnlichen Atmosphäre aufhalten.

Einer der Abfälle, die mit großer Regelmäßigkeit entstehen würde: der Urin der Astronauten. Anpassen müssten sich die Pflanzen dabei an die verminderte Schwerkraft – auf dem Mond herrscht etwa ein Sechstel der Erdanziehungskraft, auf dem Mars etwas ein Drittel.

„Ein Komposthaufen zum Recycling wäre aber nicht kontrollierbar für eine Raumstation oder ein Habitat – deshalb verwenden wir unseren Rieselfilter C.R.O.P., der wie normaler Boden funktioniert, allerdings unter kontrollierten Bedingungen.“

Bevor Eu:CROPIS auf die Reise geschickt wird, werden die Lavasteine des Rieselfilters deshalb zunächst mit getrockneter Erde „infiziert“. Durch diese Impfung ziehen verschiedene Organismen in die löchrige, große Oberfläche der Lavasteine ein und nutzen diese als Habitat. Im All wird dann alle zwei, drei Tage künstlicher Urin versetzt mit Wasser über dieses Habitat rieseln, in dem ein wahrer Wettbewerb der Mikroorganismen um diese Nahrung entsteht. Das schädliche Ammoniak wird dabei über Nitrit zu Nitrat abgebaut und als Dünger zu den Tomatensamen geleitet.

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Studie: Irdische „Astronauten“ ruhen zwei Monate lang in Schräglage

Test untersucht Auswirkungen der Schwerelosigkeit

Für die nächsten Wochen ist die Forschungseinrichtung :envihab des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt (DLR) das Zuhause von zwölf kerngesunden Männern zwischen 20 und 45 Jahren. DLR_Liegestudie1_l

Die Zwölf sind Probanden einer Langzeit-Bettruhestudie – und werden deshalb nach zweiwöchigen Ausgangsuntersuchungen und -messungen anschließend für zwei Monate im Bett liegen.

Dabei wird ihr Bett zum Kopf hin um sechs Grad nach unten geneigt sein, damit sich ihre Körperflüssigkeiten in Richtung Oberkörper verschieben; ihre Knochen und Muskeln der unteren Körperhälfte werden sich durch die Bewegungslosigkeit abbauen.

„So simulieren wir die Auswirkungen der Schwerelosigkeit im All auf den menschlichen Körper“, sagt DLR-Wissenschaftler Dr. Edwin Mulder, Leiter der Studie, die das DLR im Auftrag der ESA durchführt. „Unsere Probanden sind sozusagen irdische Astronauten.“

Knochenabbau und Gleichgewichtssinn messen

Die Hälfte dieser Probanden wird auf einem speziell entworfenen Trainingsgerät liegend mehrmals in der Woche ein Sprungtraining absolvieren. „Wir wollen herausfinden, ob dieses sehr intensive Training eine effektive Gegenmaßnahme gegen den Knochen- und Muskelabbau sein kann.“

Derzeit müssen Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation ISS nämlich über zwei Stunden am Tag Sport treiben, um die negative Effekte ihres Arbeitsplatzes auf ihren Körper möglichst gering zu halten. Mit der Studie im DLR soll nun u. a. untersucht werden, ob andere Übungen sich nicht noch besser als Gegenmaßnahme eignen könnten.

Die Probanden der Trainingsgruppe werden daher fünf bis sechs Mal pro Woche vor allem mit kleinen, kräftigen Sprüngen trainieren. „Ein kurzes, knackiges Training mit einem starken muskulären Reiz – so etwas gibt es im All bisher noch nicht“, erläutert Studienleiter Dr. Edwin Mulder.

90 Experimente für die Forschung

Insgesamt führen die beteiligten Wissenschaftler rund 90 Experimente durch: Neben den Auswirkungen der Inaktivität auf Knochen und Muskeln während der zweimonatigen Bettruhe untersuchen sie Veränderungen des Herz-Kreislauf-Systems, des Gleichgewichtssinns, der Augen, der Thermoregulation oder auch des autonomen Nervensystems. DLR_Liegestudie2_l

Auf die Probanden kommen daher regelmäßig Untersuchungen und Messungen zu. Erfahrungen sammeln für Beruf und Studium Lucas Braunschmidt ist einer der zwölf irdischen Astronauten – kerngesund, wie ausführliche Tests gezeigt haben, ungefähr im Alter eines Astronauten und medizinisch interessiert.

In den 60 Tagen und Nächten, die er im Bett liegen wird, wird die Knochendichte seiner Beine und seiner Hüfte voraussichtlich um zwei bis vier Prozent abnehmen. Die Muskeln in den Beinen und im Rücken werden abbauen – am stärksten ist dabei der Wadenmuskel mit bis zu 25 Prozent betroffen.

Braunschmidt hat gerade seine dreijährige Ausbildung zum Ergotherapeuten erfolgreich abgeschlossen und schiebt die Teilnahme an der Studie vorm Berufsanfang im nächsten Jahr ein: „Mich interessiert die Erfahrung.“ Später einmal werde er schließlich Patienten behandeln, die eben diese Erfahrung gemacht hätten. Bettlägerig, angewiesen auf die Hilfe anderer, mit Knochen und Muskeln, die erst wieder aufgebaut werden müssen. (…)

Weitere Studienteilnehmer gesucht

Für eine zweite Studienphase ab Ende Januar werden derzeit noch männliche Probanden zwischen 20 und 50 Jahren gesucht. „Wir benötigen gesunde Teilnehmer, denen bewusst ist, was sie bei der Studie erwartet, und die gut ins Team passen“, erläutert DLR-Studienleiter Dr. Edwin Mulder. 

Nach einem ersten Fragebogen werden Interessierte zu einer Informationsveranstaltung eingeladen. Bevor man als Proband ausgewählt wird, sollten allerdings die Auswertung psychologischer Fragebögen, einer medizinischen Untersuchung und eines psychologischen Interviews positiv ausfallen.

Quelle und vollständiger Text hier: http://www.dlr.de/dlr/presse/desktopdefault.aspx/tabid-10172/213_read-14750/year-all/#/gallery/20372