Der Weltraum mag leer aussehen, aber er enthält extreme Temperaturen, hohe Hintergrundstrahlung, Mikrometeoroide und das ungefilterte grelle Licht der Sonne. Darüber hinaus sind Materialien und Ausrüstung an der Außenseite der Internationalen Raumstation atomarem Sauerstoff (AO) und anderen geladenen Teilchen ausgesetzt, während sie die Erde am äußersten Rand unserer Atmosphäre umkreist. Nur die widerstandsfähigsten Materialien, Geräte und Organismen können dieser rauen Umgebung standhalten, und Wissenschaftler, die im Orbitallabor forschen, haben einige von ihnen für eine Vielzahl potenzieller Verwendungszwecke identifiziert.
„Es gibt Möglichkeiten, die verschiedenen Komponenten der Weltraumexposition einzeln am Boden zu testen, aber der einzige Weg, die kombinierte Wirkung aller gleichzeitig zu erzielen, ist im Orbit“, sagt Mark Shumbera von Aegis Aerospace, dem Besitzer und Betreiber die MISSE Flight Facility (MISSE-FF), eine Plattform für Weltraumexpositionsstudien auf der Station. „Das ist wichtig, weil sich kombinierte Wirkungen sehr von einzelnen unterscheiden können.“
Etwa alle sechs Monate starten Missionen zu MISSE-FF, das vom ISS National Lab gesponsert wird. Die Experimente begannen mit der Installation der Plattform im Jahr 2018 und werden für die Lebensdauer der Raumstation fortgesetzt, sagt Shumbera. Eine frühere MISSE-Anlage, die von 2001 bis 2016 in Betrieb war, beherbergte die ersten stationsbasierten Expositionsexperimente.
Einige dieser Missionen helfen Forschern zu verstehen, wie neue Technologien auf die Weltraumumgebung reagieren. „Bevor Sie eine Technologie auf einem betriebsbereiten Satelliten oder Fahrzeug einsetzen, möchten Sie sicher sein, dass sie in der Weltraumumgebung so funktioniert, wie Sie es sich vorstellen“, sagt er.
MISSE-FF verfügt über hochauflösende Kameras, die regelmäßig Fotos aller Gegenstände auf seinen Belichtungsdecks und Sensoren machen, um Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Strahlung und UV- und AO-Exposition aufzuzeichnen. Alle Testartikel werden auch zur Nachfluganalyse auf den Boden zurückgebracht.
NASA-Wissenschaftler haben mehrere Missionen mit der MISSE-FF geflogen, um die Auswirkungen von atomarem Sauerstoff und Strahlung auf Hunderte von Proben und Geräten zu analysieren.
MISSE-9 bewertete beispielsweise, wie Polymere, Verbundwerkstoffe und Beschichtungen mit der Exposition gegenüber dem Weltraum umgingen. Für diese und andere MISSE-Missionen testet Kim de Groh, leitender Materialforschungsingenieur am Glenn Research Center der NASA in Cleveland, zwei primäre Umweltzerstörungseffekte. Die erste ist, wie schnell ein Material aufgrund der AO-Wechselwirkung erodiert. Sie misst den Massenverlust in weltraumexponierten Materialien und verwendet diese Informationen, um AO-Erosionsausbeutewerte zu berechnen. Diese Werte helfen den Konstrukteuren von Raumfahrzeugen zu bestimmen, ob bestimmte Materialien für die Verwendung geeignet sind und wie dick diese Materialien sein müssen.
Materialien, die als Isolierung von Raumfahrzeugen verwendet werden, können im Weltraum aufgrund von Strahlung und Temperaturwechseln im Orbit spröde werden. Diese Versprödung kann Risse erzeugen und Probleme verursachen, wie z. B. eine Überhitzung einer Raumfahrzeugkomponente. De Groh testet auch die Haltbarkeit verschiedener Materialien, um diejenigen zu finden, die nicht spröde werden.
„Die ideale Situation ist es, Proben tatsächlich dem Weltraum auszusetzen, um gleichzeitig alle rauen Umgebungsbedingungen zu erleben“, sagt de Groh.
Die Anlage EXPOSE-R-2 der ESA (European Space Agency) ist eine weitere Plattform, die Wissenschaftlern die Möglichkeit bietet, Proben im Weltraum zu testen. Zu den ESA-Untersuchungen, die die Anlage genutzt haben, gehören BOSS und BIOMEX, die Biofilme, Biomoleküle und Extremophile weltraum- und marsähnlichen Bedingungen aussetzten. Extremophile sind Organismen, die unter Bedingungen leben können, die für die meisten Lebensformen unerträglich oder sogar tödlich sind.
Die Erhöhung der Autonomie ist entscheidend für zukünftige Missionen, die weiter von der Erde entfernt sind und sich nicht auf Nachschubmissionen verlassen können. Mikroorganismen, die extreme Bedingungen tolerieren, könnten in Lebenserhaltungssystemen für solche Missionen eingesetzt werden, so Daniela Billi, Professorin am Fachbereich Biologie der Universität Tor Vergata in Rom und Forscherin für BOSS und BIOMEX. Beispielsweise können Cyanobakterien verfügbare Ressourcen nutzen, um Kohlenstoff zu fixieren (atmosphärisches Kohlendioxid in Kohlenhydrate umzuwandeln) und Sauerstoff zu produzieren.
Während der Exposition auf der Raumstation erhielten getrocknete Chroococcidiopsis-Zellen eine Dosis ionisierender Strahlung, die einer Reise zum Mars entspricht. Ihre Antwort deutet darauf hin, dass die Bakterien auf den Planeten transportiert und bei Bedarf rehydriert werden könnten. Die getrockneten Zellen wurden auch mit einem Simulanz aus Mars-Regolith oder -Staub gemischt und erhielten eine UV-Dosis, die etwa 4 Stunden Exposition auf der Marsoberfläche entsprach.
„Das Ziel dieser Studie war es zu überprüfen, ob dieses Cyanobakterium DNA-Schäden reparieren kann, die sich während der Reise zum Mars und der Exposition gegenüber ungeschwächten Marsbedingungen angesammelt haben“, sagt Billi.
Kürzlich veröffentlicht Ergebnisse legen nahe, dass sie dies können: Die DNA-Sequenzierung von Zellen, die nach der Exposition rehydriert wurden, zeigte keine Erhöhung der Mutationsrate im Vergleich zu Kontrollen, die unter Erdbedingungen gezüchtet wurden. Dieses Ergebnis erhöht das Potenzial für die Verwendung dieses Organismus, um vor Ort verfügbare Ressourcen zur Unterstützung menschlicher Siedlungen einzusetzen.
Eine weitere Untersuchung mit der EXPOSE-R-2-Anlage gefunden Lebenszeichen melaninhaltiger Pilze nach 16 Monaten Weltraumexposition. Pilz-Melanin-Pigment scheint eine Rolle bei der zellulären Widerstandsfähigkeit gegen extreme Bedingungen, einschließlich Strahlung, zu spielen und könnte das Potenzial haben, als Strahlenschutz bei zukünftigen Weltraummissionen eingesetzt zu werden. In dem Experiment verringerte eine dünne Schicht eines melanisierten Pilzstamms die Strahlungswerte um fast 2 % und möglicherweise um bis zu 5 %.
Neben Pilzen nutzten die Forscher die ESA-Plattform, um die Ruhestadien von rund 40 Arten vielzelliger Tiere und Pflanzen für die EXPOSE-R-IBMP-Untersuchung dem Weltraum auszusetzen. Ergebnisse zeigte dass viele dieser Organismen lebensfähig blieben und sogar Lebenszyklen und Fortpflanzung über mehrere Generationen vollendeten, was darauf hindeutet, dass zukünftige Reisen zu anderen Planeten terrestrische Lebensformen zur Verwendung in ökologischen Lebenserhaltungssystemen und zur Schaffung künstlicher Ökosysteme mitnehmen könnten.
Da Menschen immer weiter in den Weltraum vordringen und dort länger bleiben, helfen Tests, die auf den Expositionsplattformen der Raumstation durchgeführt werden, sicherzustellen, dass die Materialien und Systeme, die sie mitnehmen, für die Reise geeignet sind.