Deutschland Auf Der ISS Germany on The

Home , Hermes (satellite)

ISS_D-GB_11 hinaus ist das DLR als Raumfahrtmanagement im Auf im Raumfahrtmanagement als DLR das t ist hinaus Forschung eigene die Über eingebunden. Kooperationen onale internati- und nationale in sind Sicherheit Verkehr,und Energie D.C. oper and Germany Washington, and Paris, Brussels, in offices ates in locations 13 at people 6,700 approximately employs DLR DLR. of part also is agency project-management largest Germany‘s Furthermore, interests. German of representation tional interna- the for as well as Government Federal German the by me program- space German the of implementation the and planning Adminis forward the for responsibility given been has DLR tration, Space Germany‘s As ventures. cooperative international and nal natio- into integrated is Security and Energy Transportation, Space, Aeronautics, in work development and research extensive Its space. and aeronautics for centre research national Germany‘s is DLR Glance a at DLR For s umfangreichen Seine Raumfahrt. und Luft- für Deutschland Bundesrepublik der Forschungszentrum nationale das ist DLR Das Überblick im DLR Das www.DLR.de Germany Köln/Cologne D-51147 Hoehe Linder Communications Kommunikation Center Aerospace German Washington, D.C. Washington, und Paris Brüssel, in Büros unterhält und Standorten 13 an Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen 6.700 circa beschäftigt DLR Das Dachorga ni Projektträger. größten national den für sation als DLR das fungiert Zudem zuständig. es senswahrnehmung Inter- internationale die für sowie Raumfahrtaktivitäten schen deut- der Umsetzung und Planung die für Bundesregierung chungs- und Entwicklungs und chungs- a rbeiten in Luftfahrt, Raumfahrt, Raumfahrt, Luftfahrt, in rbeiten rag der der rag

DLR DeutschlandaufderISS/Germany on the ISS

Informationsbroschüre Information Brochure Germany ontheISS Deutschland aufderISS 2 Inhalt Contents

Die Internationale Raumstation The International Space Station

Das Nationale Raumfahrtprogramm �� 6 Germany’s National Space Programme Größtes Forschungsprojekt aller Zeiten �� 7 Greatest Research Project of all Time Leben und Forschen im Weltall �� 9 Life and Research in Space Automated Transfer Vehicle �� 18 Automated Transfer Vehicle COLUMBUS �� 28 COLUMBUS

Deutsche Forschung auf der ISS German Research on the ISS

Forschung unter Weltraumbedingungen �� 36 Research under Space Conditions Experimente von 2001 bis 2010 �� 38 Experiments from 2001 till 2010 Experimente ab 2011 �� 56 Experiments from 2011 Industrieforschung �� 76 Industrial Research Schülerexperimente �� 79 Students‘ Experiments

Die ISS im Zeitraffer The ISS in Fast Motion

Vergangenheit �� 82 The Past Zukunft �� 89 The Future

3 4 DIe InteR natIonale RaUmStatIon The InTeRnaTIonal SpaCe STaTIon

5 Das nationale Raumfahrtprogramm Germany’s national Space programme

In seinem Programm „Forschung In its "Research under Space unter Weltraumbedingungen“ unter- Conditions"-programme, DLR (the stützt das Deutsche Zentrum für Luft- German Aerospace Center) supports und Raumfahrt (DLR) Biologen, Medi- biologists, medical researchers, ziner, Physiker und Materialwissen- physicists and material scientists schaftler aus deutschen Universitäten from German universities and other und anderen Forschungseinrichtun- research facilities in pursuing their gen, damit diese Experimente in der microgravity research. Embedded in Schwerelosigkeit durchführen kön- the National Space Programme of nen� Dieses Programm ist verankert the German Federal Government im Nationalen Raumfahrtprogramm this programme is implemented by der Bundesregierung; es wird im Auf- DLR Space Administration on behalf trag des Bundesministeriums für of the Federal Ministry of Economics Wirtschaft und Technologie (BMWi) and Technology. vom DLR Raumfahrtmanagement umgesetzt� Commissioned by DlR, the space industry develops equipment specially Speziell für den einsatz im Weltraum not- designed for use in space; a source of wendige Geräte werden im auftrag des innovative technologies from which DlR von der Raumfahrtindustrie entwi- applications on earth may benefit as ckelt; eine Quelle innovativer technologien well. Thus, for example, results obtained – auch für anwendungen auf der erde� from space experiments helped to improve ergebnisse aus Weltraumex-permenten the methods by which castings for cars trugen beispielsweise dazu bei, Gussver- and aircraft are made, and to develop fahren im automobil- und Flugzeugbau innovative medical equipment. Moreover, zu verbessern und neue medizinische DlR provides scientists with opportunities Geräte zu entwickeln� auf vielfältige to eliminate the influence of gravity in Weise bietet das DlR den Wis senschaft- the experiments. lern die entsprechenden Fluggelegenhei- ten, um den einfluss der Schwerkraft in For automated experiments, the follow- experimenten auszuschalten � ing are available: - the Bremen drop tower (five to nine Für automatisch ablaufende Versuche ste- seconds of microgravity), hen - the TeXUS (six minutes) and MaXUS - der Fallturm in Bremen (fünf beziehungs- (twelve minutes) research rockets, and weise neun Sekunden Schwere losigkeit), - research satellites like the Russian - die Forschungsraketen teXUS (sechs FoTon and BIon capsules (several minuten) und maXUS (zwölf minuten), weeks). - Forschungssatelliten wie die russischen Foton- und BIon-Kapseln (mehrere To run experiments involving humans Wochen) either as experimenters or as subjects, the two types of flight opportunities zur Verfügung� available to scientists are Für experimente, die den menschen - parabolic flights (up to 31 times 22 als experimentator oder als testperson seconds per flight day) or benötigen, können Wissenschaftler - the ISS (several months or years). - Parabelflüge (bis zu 31 mal 22 Sekunden pro Flugtag) - die ISS (mehrere monate bis Jahre) als Fluggelegenheit nutzen�

6 Das nationale Raumfahrtprogramm Größtes Forschungsprojekt aller Zeiten Germany’s national Space programme Greatest Research project of all Time

In circa 400 Kilometer Höhe zieht das 400 kilometres up, the greatest inter- größte internationale Technologie- national technology project in the projekt der Menschheitsgeschichte history of mankind moves along seine Bahnen: die Internationale its course: the International Space Raumstation ISS� Sie ist ein fliegendes Station (ISS). A flying laboratory, Labor mit exzellenten Möglichkeiten it offers excellent opportunities to für Wissenschaft und industrielle For- science and industrial research. schung� Die ersten Astronauten der „Experiment One“ bezogen die ISS The first astronauts of “Experiment am 2� November 2000� Im Februar One” moved in the ISS on November 2001 dockte mit dem amerikanischen 2, 2000. The American DESTINY mod- Bauteil DESTINY das erste Forschungs- ule was the first research segment to modul an� dock on in February 2001. The schedule was quite tight at first: most of Der Zeitplan war zunächst recht straff: the station’s components were to be Bis 2004 sollten die meisten module in integrated by 2004. Yet, following Die Internationale Raumstation ISS: Das flie- die Station integriert sein� Doch der America’s Columbia space shuttle gende Labor bietet exzellente Möglichkeiten Unfall des amerikanischen Space Shuttle disaster on February 1, 2003, build- für Wissenschaft und industrielle Forschung Columbia am 1� Februar 2003 stoppte ing work was suspended for three The International Space Station ISS: The fly- den ausbau für dreieinhalb Jahre� ab and a half year. Since the summer ing laboratory offers excellent opportunities Sommer 2006 wurde der transport von of 2006, assembly flights have been to science and industrial research Bauteilen wieder aufgenommen und die resumed, and the space station has Raumstation kon tinuierlich vergrößert� been enlarged continuously. Addi- So konnten weitere Forschungslabore zur tional research laboratories were ISS ge bracht werden – unter ihnen auch hauled up to the space station, das europäische modul ColUmBUS� including COLUMBUS, the European Dessen Realisierung wurde von Deutsch- research lab. Germany played a piv- land maßgeblich vorangetrieben� otal role in its construction.

Die Internationale Raumstation ist ein The International Space Station (ISS) is weltweites Kooperationsprogramm der a worldwide cooperation programme Vereinigten Staaten, Russlands, Kanadas, involving the United States, Russia, Cana- Japans und von zehn mitgliedstaaten der da, Japan, and ten member states of the europäischen Weltraumorganisation eSa european Space agency eSa (Belgium, (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frank- Denmark, Germany, France, Italy, The reich, Italien, niederlande, norwegen, netherlands, norway, Sweden, Switzer- Schweden, Schweiz und Spanien)� euro- land, and Spain). europe, Japan, Russia, pa, Japan, Russland und die USa leisten and the USa now all operate their own durch den Betrieb eigener Weltraumla- space laboratories, thus contributing a bore einen erheblichen Beitrag zur inter- great deal to international space-borne nationalen Forschung im all� Insgesamt research. a total of 14 nations are jointly 14 nationen entwickeln, betreiben und engaged in developing, operating, and nutzen das Großforschungslabor gemein- exploiting this large research laboratory, sam: Das macht die ISS zu einem einzig- making the ISS a unique symbol for artigen Symbol für die friedliche nutzung peaceful use of the earth’s orbit – an des orbits – zu einem „außenposten“ “outpost” of mankind in space. der menschheit im all�

7 Verhandlungen über die erweiterung der negotiations about opening up the sta- nutzungsteilnehmer, die Verlängerung tion for use by new parties, the exten- der laufzeit, die aufstockung der Stamm- sion of its scheduled life, the increase of besatzung von drei auf sechs astronau- its regular crew from three to six astro- ten im Jahr 2009 und die Integration der nauts in 2009, and the integration of the letzten module wecken die erwartung, last modules are giving rise to expecta- dass weitere erfolgversprechende Projek- tions that further succesful projects te verwirklicht werden können� Um die- might become true. To attain these se Ziele zu erreichen, regeln bilaterale objectives, bilateral agreements, (memo- abkommen (memoranda of Understan- randa of understanding, MoU) have ding, moU) zwischen den Raumfahrt- been concluded between naSa and agenturen naSa (USa), eSa (europa), the participating space agencies, eSa CSa (Kanada), Roskosmos (Russland) (europe), CSa (Canada), Roskosmos und JaXa (Japan) Verant wortung, Rech- (Russia), and JaXa (Japan) to lay down te und Pflichten zwischen den organisa- the responsibilities, rights, and obliga- tionen� tions of these organisations.

Die nationale Rechtssprechung der Part- The national legislation will apply in all ner bezieht sich auf alle Raumstationsele- elements of the space station, including mente und umfasst das Strafrecht, Haf- criminal and liability laws as well as tungsrecht und den Schutz von imma- those protecting intellectual property teriellem eigen tum� Ferner wurden die rights of the partners. User rights have nutzungsrechte festgelegt� Die europä- been defined as well. The european ische Weltraum behörde eSa besitzt 8,3 Space agency (eSa) holds 8.3 per cent Prozent nutzungs rechte im „westlichen of the commercial exploitation rights in teil“ der ISS (ohne russisches Segment) the western part of the ISS (exclusive of Das gemeinsame ISS-Programm beruht auf und 8,3 Prozent der Crewzeit� als the Russian segment) and 8.3 per cent einem internationalen Vertrag – dem Regie- Gegenleistung für die Bereit stellung von of the crew time. In return for being able rungsabkommen über die Internationale Ressourcen für das ColUmBUS-labor to use the station’s resources for the Raumstation (International Space Station Intergovernmental Agreement, IGA), das von (zum Beispiel Kommunikation, energie, ColUMBUS laboratory (e.g. communica- 14 Vertragspartnern (Bild) am 29� Januar Kühlung, Robotik) stellt die eSa der tions, energy, air conditioning, robotics), 1998 unterzeichnet wurde� Dieses Abkom- naSa 49 Prozent und der CSa zwei eSa supplies 49 per cent of the payload men bildet den Rahmen für die Entwicklung Prozent der nutzlastplätze im labor zur space in the laboratory to naSa and 2 und die friedliche Nutzung der Raumstation� Verfügung� per cent to the Canadian Space agency The joint ISS programme is based on an (CSa). international treaty, the International Space Der transfer von europäischen Geldmit- Station Intergovernmental Agreement (IGA), teln an andere Partner wird durch den To reduce the transfer of funds from which was signed by 14 parties (picture) on austausch von Gütern und Dienstleistun- europe to other partners, goods and January 29, 1998. This agreement provides the framework for developing as well as gen minimiert� Folgende Grundsätze services are exchanged. These are the for the peaceful exploitation of the space dominieren die ISS-Kooperation aus principles that govern cooperation on station. europäischer Sicht: the ISS: - Unterstützung der europäischen - Supporting europe’s industries, Industrien, - a voiding disadvantageous - Vermeidung von nachteiligen dependencies, ab hängigkeiten, - Controlling the cost of agreed services - Kostenkontrolle der vereinbarten on europe’s part, leistungen auf europäischer Seite - p romoting the standardisation of space durch die eSa, equipment. - Förderung der Standardisierung und Vereinheitlichung von Raumfahrt- geräten�

8 Die Internationale Raumstation leben und Forschen im Weltall The International Space Station life and Research in Space lebenserhaltung life Support

Damit menschliches leben im all über- To safe human life in space, modern haupt möglich ist, sind moderne techno- technologies like the ISS environmental logien wie das ISS environmental Control Control and life Support System (eClSS) and life Support System (eClSS) notwen- are necessary. It determines and checks dig� es bestimmt und überwacht die the ingredients of the cabin air and the Zusammensetzung der Kabinenluft und water recovery. With its subfunctions, die Wasser-Rückgewinnung� Das eClSS eClSS controls the “Crew health Care kontrolliert mit seinen Unterfunktionen Systems”, e.g. the adequate cleanness of des „Crew Health Care Systems” auch die these essential substances. The degree of angemessene Reinheit dieser essenziellen development of these systems, which are Stoffe� Die Systeme sind in unterschiedli- placed in different modules of the ISS, chen entwicklungsgraden vorhanden, in varies. The systems’ functions could be verschiedenen ISS-modulen untergebracht classified in preparation of the cabin air und lassen sich primär in zwei Funktionen using the reduction of carbon dioxide to unterteilen: die aufbereitung der Kabi- generate oxygen as well as the regenera- nenluft über Kohlendioxidreduktion zur tion of process water to drinking water. Sauerstofferzeugung sowie die aufbereitung von Brauchwasser zu trinkwasser� The German industry, on behalf of eSa, NASA-Astronaut Clay Anderson bei Tests mit is developing a closed loop system for dem Luftpartikelsensor ANITA an einem geschlossenen System für ColUMBUS. In a closed loop system, ColUmBUS arbeitet die deutsche In - water is generated from the carbon diox- NASA astronaut Clay Anderson running tests with the Analysing for Ambietent Air (ANITA) dustrie im auftrag der eSa� Bei einem ide in the air and a part of the hydrogen device ge schlossenen System wird unter ande- obtained by water electrolysis. In form of rem aus dem Kohlendioxid der atemluft drinking water, rehydration of food and und einem teil des Wasserstoffs aus dem for hygienical matters, water is the key elektrolyseprozess wieder Wasser gene- element of supplying the space station. riert� Wasser ist als trinkwasser, zur In the case of the ending shuttle flights nahrungsaufbereitung oder für Hygiene- in 2012, the opportunity to use water maßnahmen das Schlüsselelement zur from fuel cell operations turns out. In Versorgung der Station� Dies gilt umso each year, a water consumption of circa mehr, da ab 2012 die Shuttle-transporte 4.7 tons has to be covered by transport. und damit die möglichkeit, Wasser aus Using closed loop systems, their will be a dem Brennstoffzellenbetrieb zu nutzen, possibility to reduce resources. wegfallen� Jährlich ist ein Wasserver- brauch von etwa 4,7 tonnen durch Zufuhr von außen zu decken� Durch Research geschlossene Kreislaufsysteme können so Ressourcen eingespart werden� Research in space permits scientific experiments that are impossible to carry out on earth in the same quality and Forschung over prolonged periods. Up to six astronauts live and work in several pressurised Forschung im Weltall macht experimente modules. external platforms offer space möglich, die auf der erde in dieser Qua- for observation and measuring instru- lität über einen längeren Zeitraum nicht ments to test innovative technologies durchführbar sind� Bis zu sechs astronauten leben und arbeiten in den druck- beaufschlagten modulen der ISS� Die externen Plattformen bieten Platz für Beobachtungs- und messinstrumente,

9 um neue technologien unter Weltraum- under space conditions. The quality and bedingungen zu testen sowie wissen- scope of the station’s infrastructure and schaftliche experimente durchzuführen� resources are unparalleled in the history Qualität und Umfang von Infrastruktur of astronautics. The ISS supplies: und Ressourcen sind beispiellos in der - Capacities and resources to an ongoing Geschichte der Raumfahrt� Die ISS bietet: human presence in space, - Kapazitäten für einen permanenten - Docking facilities for various transport aufenthalt des menschen im all, systems, - andockstellen für unterschiedliche - l aboratory equipment for scientific and transportsysteme, commercial use, - laborausrüstungen für wissenschaft- - n early permanent communication with liche und kommerzielle nutzung, ground stations, - nahezu permanente Kommunikations- - Robotic systems for science and appli- möglichkeiten mit Bodenstationen, cation, - Robotersysteme für Wissenschaft und - o rbital and microgravity (µg) condi- anwendung, tions, radiation, vacuum (applies only - orbit, Bedingungen annähernder to outboard experiments) Schwerelosigkeit, Strahlung, Vakuum - a permanent view of earth and its (gilt nur für außenexperimente), atmosphere, - dauernde Sicht auf atmosphäre und - o pportunities to protect the station erde, from external hazards (e.g. space junk). - Sicherungsmaßnahmen der Station vor äußeren Gefahren (zum Beispiel Welt- Together with a Russian proton Rocket, raummüll)� the Russian “Multipurpose laboratory Module” (MlM) research module and the Das russische Forschungsmodul „multi- european Robotic arm (eRa) will take off purpose laboratory module“ (mlm) und for the space station in 2012 to com- der european Robotic arm (eRa) sollen plete its infrastructure, marking the point zusammen auf einer russischen Proton- at which all participating space nations Rakete im Jahr 2012 zur Raumstation will have fulfilled their international obli- starten und deren Infrastruktur vollen- gations. europe’s contributions, consist- den� alle beteiligten Raumfahrtnationen ing of ColUMBUS, the elements speci- halten damit ihre internationalen Ver- fied in the international agreement, the pflichtungen ein� Der europäische Beitrag ground segment and the automated umfasst ColUmBUS, die international Transfer Vehicle (aTV), have either been vereinbarten elemente, Bodensegment or are about to be completed. und den europäischen Raumtransporter automated transfer Vehicle (atV)�

20� November 1998: 4� Dezember 1998: Start des ersten ISS-Moduls: Start des Verbindungs- der Functional Cargo Block knotens Node 1 („Unity“) (FGB) Sarja December 4, 1998: November 20, 1998: launch of the connecting launch of the first ISS port Node 1 (“Unity”) module: the Functional Cargo Block (FGB) Zarya 10 Die Internationale Raumstation > Leben und Forschen im Weltall The International Space Station > Life and Research in Space

Die Raumstation ISS nach der vollständigen Integration aller Bauteile

The ISS space station after the integration of all components

11. Oktober 2000: Start der Gitterstruktur Z1 und des Kopplungsadapters PMA-3

October 11, 2000: launch of the truss Z1 and the coupling adapter PMA-3

12. Juli 2000: Start des Service- und Wohnmoduls Swesda

July 12, 2000: launch of the service and habitation module Zvezda

11 Flugmanöver Flight Manoeuvres

Durch Reibung – bedingt durch die Rest- The drag of the residual atmosphere and atmosphäre und den solaren Strahlungs- solar radiation pressure cause the alti- druck – verliert die Internationale Raum- tude of the International Space Station station kontinuierlich an Höhe� Ihre to decrease continuously, so that its orbit Bahnhöhe muss darum von Zeit zu Zeit has to be raised by so-called “reboost” über sogenannte „Reboost“-manöver manoeuvres from time to time. next to angehoben werden� neben den routine- routine adjustment of the altitude, the mäßigen Bahnanpassungen muss die station more and more often needs to Station zunehmend herumfliegenden evade scattered debris called space junk. trümmern – sogenanntem Weltraum- The expanding utilisation of space is schrott – ausweichen� Denn die steigen- leaving traces. about 15,000 objects de nutzung des Weltraums hinterlässt larger than ten centimetres, millions of Spuren� Rund 15�000 objekte größer als smaller particles, and the increasingly zehn Zentimeter, millionen kleinerer teile dense satellite traffic enhance the proba- Angedockte Space Shuttles oder Progress- und die erhöhte anzahl von Satelliten bility of a so-called “conjunction”, when frachter können die ISS anheben steigern die Wahrscheinlichkeit einer dangerous objects that might damage Docked space shuttles or Progress freighters sogenannten „conjunction“ mit gefähr- the structure of the ISS come within may raise the ISS lichen objekten innerhalb der Radarsicht- radar range. To safe the ISS, so-called weite, die die Struktur der ISS schädigen “Collision avoidance Manoeuvres” (CaM) können� Um die ISS zu schützen, werden may be carried out by the european sogenannte „Collision avoidance man- transport module automated Transfer euvers“ (Cam) durch das europäische Vehicle (aTV) and the Russian progress transportmodul automated transfer freighters. Vehicle (atV) und den russischen Frach- ter Progress durchgeführt� In case of collision, the crew has to move to the Soyuz capsules. all such manoeu- Besteht Kollisionsgefahr, müssen die as- vres are announced in advance to avoid tronauten die russischen Sojuskapseln auf- disrupting highly sensitive experiments. suchen� alle manöver werden rechtzeitig They are always scheduled so as not bekannt gegeben, um ausfallzeiten für to coincide with ongoing experiments hochempfindliche Versuche zu vermeiden� because the manoeuvre impairs the qual- Die manöver werden stets so geplant, ity of microgravity. Many tests, such as dass sie nicht mit laufenden experimenten those involving radiation, are independ- zusammenfallen, da sie die Qualität der ent of such manoeuvres and may there- Schwerelosigkeitsforschung beeinträch- fore be continued without restriction. tigen würden� Viele der experimente, wie Ground- and satellite-based measure- zum Beispiel Strahlungsexperimente, sind ments are fed into the control centre von solchen manövern unabhängig und data system to permit precise forecasts, laufen daher uneingeschränkt weiter� facilitating operations and safeguarding Boden- und satellitengestützte messun- the success of the experiments. gen, die in die Planungsdaten des Kon- trollsystems eingegeben werden, erlauben präzise Vorhersagen� Sie erleichtern den logistics Betrieb und sichern die erfolgsquote der experimente� The space station cannot operate without supplies, payload elements, and fuel. There are various means available to carry these into space: goods and new crew members may be transported by space shuttles and Soyuz capsules.

12 Die Internationale Raumstation > leben und Forschen im Weltall The International Space Station > life and Research in Space

Freight-only missions are handled by the Versorgung european automated Transfer Vehicle (aTV), the Japanese hTV, and the progress ohne Versorgungsgüter, nutzlastele- freighter. all supply flights are scheduled mente und treibstoff ist ein Betrieb der years ahead. Raumstation nicht möglich� Verschiedene Fahrzeuge übernehmen den transport ins all: Das Space Shuttle und die Sojus- kapseln können Güter und neue Besat- operation and zungsmitglieder zur ISS bringen� Reine Frachttransporte werden vom europäi- Maintenance schen automated transfer Vehicle (atV), Control centres operated by national dem japanischen HtV und den russischen space agencies or large corporations Progressfrachtern übernommen� alle ensure that everything runs smoothly. Versorgungsflüge sind Jahre im Voraus one of the key tasks of the Mission Con- geplant� trol Centres (MCC) is the management of a mission. It starts with the take-off of a rocket and ends with its landing. Flight Im Anflug: Russische Sojuskapseln bringen Betrieb auch nach der Einstellung des US-Shuttlepro- engineers monitor the telemetry data gramms Astronauten zur ISS communicated by the various systems, und Wartung transmitting correction commands when- Soyuz approaching: these capsules will be ever necessary. Control centres learn transporting astronauts to the ISS after the Für einen reibungslosen ablauf sorgen about the condition of the ISS and any phase-out of the shuttle programme Kontrollzentren, die von nationalen maintenance activities that may be Raumfahrtagenturen oder Firmen betrie- required by observing and analysing the ben werden� eine Hauptaufgabe der mis- station’s telemetry data and the astro- sion Control Center (mCC) ist das missi- nauts’ reports. Ground stations provide onsmanagement� Dieses fängt beim the link between the ISS and the control Raketenstart an und endet mit der lan- centres. dung� Die Flugingenieure überwachen dazu die telemetriedaten der einzelnen Systeme� Falls erforderlich, werden Kom- mandos zur Korrektur geschickt� Die Beobachtungen und analysen der telemetriedaten der Raumstation und die Berichte der astronauten geben auf- schluss über den Zustand und die notwendigen Wartungsarbeiten� Bodensta- tionen sind das Verbindungselement zwischen ISS und Kontrollzentrum�

19� April 2001: Start des kanadischen Roboter- arms CANADARM 2

April 19, 2001: launch of the Canadian robotic arm CANADARM 2

7� Februar 2001: Start des amerikanischen Labormoduls DESTINY

30� November 2000: February 7, 2001: Start des Solarsegments P6 launch of the American laboratory module DESTINY November 30, 2000: launch of the solar segment P6 ColUmBUS- The ColUMBUS Kontrollzentrum Control Centre

Das Deutsche Raumfahrt-Kontrollzen- located in oberpfaffenhofen (Germany) trum (German Space operations Center, and operated by DlR, the German Space GSoC) des DlR in oberpfaffenhofen ist operations Center (GSoC) has been seit mehr als 35 Jahren für den Betrieb responsible for spacecraft operations for von Raumfahrzeugen verantwortlich� more than 35 years. The GSoC control- Die bemannten deutschen missionen D1, led the crewed German missions D1, D2 D2 und der Shuttle topography mission and the Shuttle Topography Mission (SRtm) mit dem Space Shuttle sowie (SRTM) on american space shuttles as Flüge deutscher Kosmonauten zur russi- well as the flights of German astronauts schen mIR-Station und deren experimen- to the Russian MIR station and the ex- te wurden vom GSoC aus betrieben� periments conducted there.

Das COLUMBUS-Kontrollzentrum wurde am 19� Oktober 2004 eröffnet und war beim Flug Wegen der langjährigen erfahrung hat Because of the long lasting experience, des italienischen ESA-Astronauten Roberto die eSa im GSoC das ColUmBUS-Kon- eSa installed the ColUMBUS Control Vittori im April 2005 zur ISS erstmals an einer trollzentrum (Col-CC) für den Betrieb des Centre (Col-CC) in the GSoC to operate Mission beteiligt� Auch bei der Langzeitmissi- europäischen Forschungsmoduls instal- the european research module. on des deutschen ESA-Astronauten Thomas liert� Reiter 2006 (Astrolab) übernahm das GSOC wichtige Aufgaben� Due to the docking of ColUMBUS, the mit dem ankoppeln von ColUmBUS Col-CC in GSoC assumed control of the Opened on October 19, 2004, the COLUMBUS übernahm das Col-CC im GSoC auch die module and oversaw its commissioning. Control Centre was actively involved in a Steuerung der Inbetriebnahme� Seitdem Since that time, a team of about 70 has mission for the first time when the Italian überwacht und lenkt ein team von etwa been monitoring and controlling the lab- ESA astronaut Roberto Vittori flew to the ISS in April 2005. The GSOC also handled impor- 70 mitarbeitern rund um die Uhr die Sys- oratory’s systems round the clock and tant functions during the long-term mission teme, sichert und koordiniert das wissen- safeguarding and coordinating its scien- of the German ESA astronaut Thomas Reiter schaftliche Programm� tific programme. in 2006 (Astrolab). alle aktivitäten und experimente verlaufen all activities and experiments follow a nach einem genauen Zeitplan� Bei neuen precise schedule. In the event of any experimenten oder Problemen wie dem changes (e.g. new experiments) or prob- ausfall einer Datenleitung oder Kühlung lems (e.g. data link or cooling system muss die Bodenkontrolle neue Prioritäten failures), it is up to ground control to reschedule priorities and operations. This task is done in close coordination with european ISS User Support and operations Centres. The ColUMBUS Control Centre receives system and experiment data, which it processes, distributes, and evaluates.

12� Juli 2001: Start der Luftschleuse QUEST Joint Airlock

July 12, 2001: launch of QUEST Joint Airlock

14� September 2001: Start von Andockmodul und Luftschleuse PIRS Docking Compartment 1

14 September 14, 2001: launch of the docking and airlock module PIRS Docking Compartment 1 Die Internationale Raumstation > leben und Forschen im Weltall The International Space Station > life and Research in Space

vereinbaren und den Betriebsablauf neu Since all operating procedures are inter- planen� Dies geschieht in Zusammenar- dependent, the european control centre beit mit den europäischen ISS-nutzerun- maintains close contacts with the ISS terstützungszentren� Das ColUmBUS- mission control centres of naSa in hou- Kontrollzentrum empfängt die System- und ston (USa) and Roskosmos in Moscow experimentdaten� Sie verarbeitet, verteilt (Russia). Where experiments are con- und wertet diese aus� cerned, the Col-CC consults with naSa’s payload centre at huntsville (USa), which Da sämtliche Betriebsabläufe voneinan- is globally responsible for all experimen- der abhängen, steht das Kontrollzentrum tal facilities on the space station. The in engem Kontakt mit den ISS-missions- control centre may also communicate kontrollzentren der naSa in Houston directly with the ISS if problems occur in (USa) und Roskosmos in moskau (Russ- the laboratory, european press confer- land)� Sind experimente betroffen, stimmt ences are to be held, or even lectures sich das Col-CC mit dem naSa-nutzlast- delivered from space. zentrum in Huntsville (USa) ab, das die übergeordnete Verantwortung für alle Seit 2008 ist das COLUMBUS-Kontrollzentrum Versuchsanlagen auf der Raumstation Interface between an den ATV-Missionen beteiligt� Das GSOC trägt� Vom Kontrollzentrum aus kann stellt hierfür die Infrastruktur zur Kommuni- auch direkt mit der ISS kommuniziert earth and Space kation zwischen den Kontrollzentren in Tou- werden: bei Problemen im labor, aber louse, Houston und Moskau zur Verfügung� auch für Presse konferenzen oder für To enable researchers to do scientific The COLUMBUS Control Centre has been den Unterricht aus dem all� work on the space station, nine user active in ATV missions since 2008. The support and operations centres (USoCs) centre provides the infrastructure for communications between the control centres have been created in europe. nahtstelle zwischen in Toulouse, Houston, and Moscow. USoCs form the interface between Boden und all space-borne experiments and scientists on the one hand and terrestrial engi- Damit Forscher auf der Raumstation neers on the other. They are equipped wissenschaftlich arbeiten können, sind with monitoring and control systems to in europa neun nutzerunterstützungs- manage experiments from the ground. zentren (User Support and operations ensuring swift communication, high- Centre USoC) eingerichtet worden� speed networks enable scientists to observe their experiments directly and Sie sind die nahtstelle zwischen experi- intervene interactively from user centres mentanlagen und den Wissenschaftlern or their home laboratories. Moreover, sowie den Ingenieuren am Boden� Um die USoCs take part in planning missions experimente von der erde aus zu lenken, and preparing experiments, and some haben die Zentren Überwachungs- und of them have their own data archiving Steuerungssysteme� Hochgeschwindig- facilities. keitsnetze sorgen für eine schnelle Kom- munikation� So können Wissenschaftler den Verlauf ihrer experimente direkt über-

8� April 2002: Start der Gitterstruktur S0

April 8, 2002: 15 launch of the truss S0 wachen und interaktiv aus den nutzer- The european ISS ground network links zentren oder den Heimatlabors eingrei- all user centres to the international mis- fen� auch an der einsatzplanung und sion centres in the US and Russia, with der Versuchsvorbereitung sind die USoC DlR’s Microgravity User Support Centre beteiligt� Zusätzlich verfügen einige Zent- (MUSC) at Cologne participating for Ger- ren über archive zur Datensicherung� many. The MUSC began operations in February 2004, receiving data from the alle Zentren sind über das europäische station and monitoring and controlling ISS-Bodennetz mit den internationalen experiments to this day. When ColUMBUS missionszentren in den USa und Russland was commissioned in 2008, full-scale verbunden� In Deutschland ist das micro- operations began in all european user gravity User Support Center (mUSC) im centres. DlR in Köln als nationales nutzerzentrum beteiligt� Das mUSC hat seine arbeiten im Februar 2004 aufgenommen� Seitdem werden Daten aus der Station empfangen, on its Way experimente überwacht und gesteuert� Beim DLR in Köln entstand mit dem MUSC mit der Inbetriebnahme von ColUmBUS to Space das deutsche Nutzerunterstützungszentrum begann 2008 der vollständige Betrieb in (USOC) für die Forschung auf der ISS� Schwerpunkte: bio- und materialwissen- allen nutzerzentren europas� astronauts are exposed to enormous schaftliche Forschung unter Schwerelosigkeit� stress on their way to space. Conse- Zudem werden Pilot-Experimente auf Kurz- quently, careful planning is needed for zeit-Missionen durchgeführt, um Konzepte long-term sojourns in the following für neue Anlagen zu entwickeln� auf dem Weg respects: With the MUSC, the German USOC at the - Radiation dosimetry and protection, DLR in Cologne was founded – focusing on ins all research on the ISS. Main topics: life and - a daptation to an environment in materials science in microgravity. To develop microgravity, new system concepts, the centre also con- auf dem Weg in den Weltraum sind astronauten enormen Belastungen aus- ducts pilot experiments on short-term mis- - Measures to counteract negative sions. gesetzt� längere aufenthalte müssen impacts on the human body, darum sorgfältig geplant werden im Hinblick auf: - p hysicochemical and biological life support systems, - Strahlen-Dosimetrie und -schutz, - p sychological condition of the crew - anpassung an das Umfeld annähender (for example, the earth-out-of-sight Schwerelosigkeit, phenomenon), - Closed life cycles for life support, - Biosensorics, microdiagnostics, remote diagnostics, medical care, and health monitoring.

In 1998, eSa began pooling the space activities of its member states and setting up a joint european corps of astronauts.

7� Oktober 2002: Start der Gitterstruktur S1

October 7, 2002: launch of the truss S1 1� Februar 2003: Unglück der 23� November 2002: Raumfähre Columbia Start der Gitterstruktur P1 February 1, 2003: November 23, 2002: 16 Accident of the launch of the truss P1 space shuttle Columbia Die Internationale Raumstation > leben und Forschen im Weltall The International Space Station > life and Research in Space

- maßnahmen gegen negative auswir- Since that time, the european astronaut kungen auf den menschlichen Körper, corps has been domiciled at the eSa astronaut Center (eaC) at the DlR facil- - Physiko-chemische und biologische ity in Cologne. It is not only the four- lebenserhaltungssysteme, teen members of eSa’s astronaut corps - Psychologie, Crew-Befinden (zum Bei- who are being groomed for space here. spiel „earth out of sight“-Phänomen), The centre also hosts astronauts from the ISS partners USa, Russia, and Japan - geschlossene lebenskreisläufe zur who are introduced into handling the lebenserhaltung, european modules of the space station, - Biosensorik, mikrodiagnostik, Ferndia- such as the ColUMBUS laboratory, and gnostik, telemedizin und Gesundheits- the aTV space carrier. überwachung� experience makes eSa’s astronauts valu- 1998 begann die eSa, die astronautischen able mission partners. even when on the aktivitäten der mitgliedstaaten zusam- ground, they assist in flight operations, Seit September 2009 trainieren sechs neue menzuführen und ein gemeinsames euro- supporting communications with the ESA-Astronauten aus Dänemark, Deutsch- päisches astronauten-Corps aufzustellen� ISS crew. In this way, they infuse their land, Frankreich, Großbritannien und Italien Seitdem ist dieses im eSa-astronauten- am EAC� Unter ihnen ist auch der Deutsche knowledge into eSa’s development pro- Alexander Gerst (zweiter von links)� Die Ast- zentrum (european astronaut Centre, grammes. Science and technology as ronauten wurden aus über 8�000 Bewerbern eaC) auf dem Gelände des DlR in Köln well as the general public welcome ausgewählt� Im November 2010 beendeten zu Hause� nicht nur das vierzehnköpfige astronauts as competent ambassadors sie ihre 18-monatige Grundausbildung� eSa-astronauten-team bereitet sich hier of space flight. Since September 2009, six new ESA astro- auf Weltraummissionen vor� auch die nauts from Denmark, Germany, France, Great astronauten der ISS-Partner USa, Russ- Britain, and Italy have been training at the land und Japan lernen hier den Umgang EAC, including a German, Alexander Gerst mit den europäischen modulen der Raum- (second from the left). They were selected station wie dem ColUmBUS-Raumlabor from more than 8,000 applicants. They completed their 18 months of basic training in und dem Raumtransporter atV kennen� November 2010.

Die missionserfahrung von eSa-astronauten macht sie zu wertvollen Partnern: am Boden unterstützen sie die Flugope- rationen, an Bord des Space Shuttle zum Beispiel die Kommunikation mit der ISS- Besatzung� So bringen sie ihre erfahrungen in eSa-entwicklungsprogramme ein� astronauten sind kompetente und will- kommene Botschafter der Raumfahrt für die Wissenschaft und technik sowie für die Öffentlichkeit�

9� September 2006: Start der Gitterstrukturen P3 und P4

September 9, 2006: 26� Juli 2005: launch of the trusses Start der Stauplattform für Ersatzteile P3 and P4 External Storage Platform 2 (ESP-2)

July 26, 2005: launch of the external logistics platform for spare parts External Storage Platform 2 (ESP-2) 17 automated transfer Vehicle automated Transfer Vehicle

Premiere im all Curtain-Raiser am 9� märz 2008 startete der erste in Space europäische Raumtransporter atV (automated transfer Vehicle) zur Internationa- on March 9, 2008, the european auto- len Raumstation ISS� am 3� april 2008 mated Transfer Vehicle (aTV) took off hatte das nach dem französischen Visio- for the International Space Station (ISS). när und Science-Fiction-autor Jules Verne having reached its destination on april 3, benannte Raumfahrzeug sein Ziel erreicht 2008, the spacecraft – named “Jules und dockte vollautomatisch an die ISS Verne” after the French visionary and sci- an� Damit feierte die europäische Raum- ence fiction author – docked on the ISS fahrt eine wichtige Premiere und einen in an autonomous manoeuver. The event besonderen meilenstein: mit dem atV- was celebrated as an important curtain- Prototyp hat europa einen eigenen Zugang raiser and a special milestone in europe- zur ISS erhalten� an astronautics: the aTV prototype gave europe its own access to the ISS. nach dem Start auf einer ariane-5eS-trä- gerrakete vom europäischen Weltraum- after a perfect launch on an ariane-5eS bahnhof Kourou in Französisch-Guyana rocket from the european space port of hat „Jules Verne“ seine Fähigkeiten im Kourou in French Guiana, “Jules Verne” all bei umfangreichen tests erfolgreich successfully demonstrated its capabilities unter Beweis gestellt� alle notfallproze- in an extensive series of tests in space. duren wurden vor dem andocken erprobt all emergency procedures were tested und verifiziert� Das atV transportierte bei and verified before docking. on its maid- seinem erstflug etwa 4,5 tonnen Güter en flight, the aTV carried about 4.5 tons und treibstoff zur Raumstation� of goods and fuel to the space station.

Die atV-Flüge sind der Beitrag der euro- The flights of the aTVs represent the päischen Weltraumorganisation eSa zur contribution of the european Space Versorgung der ISS� Der größte Posten agency (eSa) to keeping the ISS sup- der anteilig auf die eSa-mitgliedstaaten plied. By performing this service, the entfallenden ISS-Betriebskosten wird member states of eSa settle most of durch diese Sachleistungen abgegolten – their share in the cost of operating the anstelle von Devisenzahlungen an die ISS instead of paying naSa in foreign naSa� am 16� Februar 2011 startete das currency. on February 16, 2011, the zweite atV „Johannes Kepler“ von Kou- second aTV named “Johannes Kepler” rou aus zur ISS und dockte am 24� Feb- took off from Kourou to the ISS. on ruar 2011 erfolgreich an die Station an� February 24, 2011, the spacecraft docked Bis 2015 sind nach „Johannes Kepler“ successfully on the space station. after noch drei weitere Flüge geplant� “Johannes Kepler”, three more flights 10� Dezember 2006: to the International Space Station have Start der Gitterstruktur P5 been scheduled until 2015.

December 10, 2006: launch of the truss structure P5

8� Juni 2007: Start der Gitterstrukturen S3 und S4 18

June 8, 2007: launch of the truss structures S3 and S4 Die Internationale Raumstation > automated transfer Vehicle The International Space Station > automated Transfer Vehicle

atV im Überblick aTV in Brief

Das atV ist ein unbemanntes Raumfahr- The aTV is an uncrewed spacecraft zeug, das Fracht zur ISS transportieren designed to transport cargo to the ISS. kann� es ist etwa zehn meter lang und It is about ten metres in length and hat einen Durchmesser von 4,5 metern� 4.5 metres in diameter. With its solar mit entfalteten Solarpanelen hat atV panels unfolded, the span of the aTV eine Spannweite von 22,3 metern� Die extends across 22.3 metres. In the case Gesamt masse des startbereiten und be- of “Jules Verne”, the total launch mass ladenen Fahrzeugs betrug bei „Jules of the vehicle, cargo included, amounted Verne“ knapp 20 tonnen� Die nettonutz- to nearly 20 tons. an aTV’s net payload last eines atV umfasst circa 6,3 tonnen� weighs circa 6.3 tons. Further modifica- Durch weitere modifikationen könnte die tions might raise the capacity of aTV 5 Kapazität bei atV-5 auf 6,8 tonnen ge- to 6.8 tons. however, the composition of steigert werden� Die Zusammenstellung the cargo will vary from one mission to der Fracht wird von mission zu mission the next. In addition to food and other variieren� neben nahrungsmitteln und supplies the aTVs will transport scientific sonstigen Versorgungsgütern sollen die equipment, spare parts, and experiments. Die Crew der ISS-Expedition 17, Greg atV auch wissenschaftliche ausrüstung, Chamitoff, Oleg Kononenko und Sergei ersatzteile und experimente transportie- The spacecraft includes one section Volkov, präsentiert nach dem Ankoppeln des ATV-1 „Jules Verne“ Bücher und Manu- ren� housing its propulsion and avionics, skripte des französischen Autors und meaning the electrical and electronic Namensgebers� Das Raumfahrzeug besteht aus einer control devices. Moreover, it has a pres- Sektion für den antrieb und die avionik, surised payload segment (integrated After ATV-1 “Jules Verne” had docked on, the ISS expedition crew 17 – Greg Chamitoff, also die elektrischen und elektronischen cargo carrier) for transporting “dry cargo”. Oleg Kononenko and Sergei Volkov – pre- Steuergeräte� Zudem hat es ein druckbe- Stowed in international standard pay- sented books and manuscripts by the French aufschlagtes nutzlastsegment (Integrated load racks (ISpRs), this cargo can be author ATV is named after. Cargo Carrier), in dem „trockenfracht“ easily accommodated on the ISS. astro- befördert wird� Diese ist in sogenannten nauts enter the integrated cargo carrier ISPRs (International Standard Payload from the ISS to unload and load the aTV. Racks) untergebracht und kann auf der ISS problemlos verstaut werden� Der all aTVs will be launched from Kourou Integrated Cargo Carrier wird von den on ariane-5eS rockets with a re-ignitable astronauten beim ent- und Beladen des upper stage. This makes ariane-5eS part atV von der Raumstation aus betreten� and parcel of the ISS logistics concept. having separated from the upper stage, alle atV werden auf einer trägerrakete the aTV approaches the space station des typs ariane-5eS mit einer wieder- under autonomous control and docks zündbaren oberstufe von Kourou aus automatically on the Russian MISS mod- gestartet� Dadurch ist auch die ariane- ule Zvezda, where it can remain for up 5eS Bestandteil des logistikkonzepts to six months. During the mission, the für die ISS� nach der trennung von der spacecraft is monitored by the aTV con- oberstufe steuert das atV autonom auf trol centre in Toulouse (France) as well die Raumstation zu, dockt vollautoma- as by other control centres in Moscow tisch am russischen modul Swesda an (Russia), houston (USa), oberpfaffenhofen und kann bis zu einem halben Jahr dort (Germany, DlR), and Redù (Belgium). bleiben� Das Raumfahrzeug wird dabei vom atV-Kontrollzentrum in toulouse (Frankreich) und den weiteren Kontroll- zentren in moskau (Russland), Houston (USa), oberpfaffenhofen (Deutschland, DlR) und Redù (Belgien) überwacht�

19 ATV-2 „Johannes Kepler“ atV hebt – ähnlich wie der russische like the Russian progress transfer vehicle, Progress-transporter – mit seinen Haupt- the aTV uses its main propulsion to re- auftraggeber eSa triebwerken die ISS auf ihrer erdumlauf- boost the ISS back into its original orbit Hauptauftragnehmer eaDS-astrium bahn an� Dies ist von Zeit zu Zeit nötig, around earth. This is necessary from time Space transporta- da sie durch den Widerstand der Rest- to time because the resistance of the tion atmosphäre kontinuierlich abgebremst residual atmosphere continually slows länge 9,79 meter wird und etwa 50 meter Bahnhöhe pro down the space station, so that it loses (Startkonfiguration) tag verliert� Zum ende der mission kann about 50 metres in altitude every day. Größter Durchmesser 4,48 meter atV bis zu 6,5 tonnen abfall von der Towards the end of its mission, the aTV ISS aufnehmen� nach dem abdocken may be loaded with up 6.5 tons of ISS Spannweite 22,28 meter Solargenerator wird es kontrolliert in die erdatmosphäre waste. after undocking, it will be steered zurückgeführt und verglüht� back into the earth’s atmosphere where Startmasse 20�060 Kilogramm it will eventually burn up somewhere treibstoffmasse 6�566 Kilogramm above the pacific. nutzlasten atemluft 102 Kilogramm treibstoff für 851 Kilogramm russisches Service- modul nahrung, 1�605 Kilogramm Kleidung, ersatzteile, astronau- tenbedarf treibstoffanteil 4�535 Kilogramm für ISS Re-Boost Kapazität für ISS- circa 6�500 Kilo- abfall gramm Hauptantrieb 4 x 490 newton triebwerke lageregelung und 28 x 220 newton Steuerung triebwerke energieerzeugung 4�800 Watt energiebedarf aktiv-/ 900 Watt / Ruhemodus 400 Watt Kommunikation S-Band via tDRS Schematische Darstellung von ATV-2 zum Boden „Johannes Kepler“ in einer Ariane 5ES-Rakete Kommunikation S-Band via zur ISS Prox�-link Schematic drawing of ATV-2 “Johannes Kepler” in an Ariane 5ES rocket navigation GPS, KURS, optische Sensoren Start 16� Februar 2011 andocken 24� Februar 2011 Geplante missions- nominal sechs dauer monate, geplant bis 4� Juni 2011

20 Die Internationale Raumstation > automated transfer Vehicle Das System Internationale Raumstation > The International Space Station > automated Transfer Vehicle Das System Internationale Raumstation >

Der Weg zu atV The Way to aTV Data: ATV-2 “Johannes Kepler” Contracting agency eSa Bereits 1987 realisierte die eSa erste as early as 1987, eSa carried out some Main contractor eaDS-astrium Space Untersuchungen zu einem atV-ähnlichen initial studies on a vehicle that resembled Transportation Fahrzeug� nachdem die eSa-ministerrats- an aTV. When the eSa Council of Minis- length (launch 9.79 metres konferenz 1992 in Granada (Spanien) ters decided at its 1992 meeting in Gra- configuration) beschlossen hatte, das Programm des nada (Spain) to discontinue the pro- Greatest diameter 4.48 metres europäischen Raumgleiters HeRmeS nicht gramme of the european orbital glider fortzuführen, erfolgte eine inhaltliche heRMeS, the content of the european Solar panel span 22.28 metres neuausrichtung der europäischen Beiträ- contribution to the International Space launch mass 20,060 kilogramme ge für eine internationale Raumstation� Station had to be rearranged. apart from Fuel mass 6,566 kilogramme losgelöst von der Frage eines eigenen the question of europe having its own bemannten europäischen transportsys- crewed transport system, experts were payloads tems bestand unter den Fachleuten kein in no doubt about the need for europe air 102 kilogramme Zweifel an der notwendigkeit, in europa having its own key capacities – called Fuel for Russian 851 kilogramme über bestimmte eigene Schlüsselkapazi- servicing elements – for the space station. service module täten für die Raumstation, sogenannte Food, clothing, 1,605 kilogramme Servicing-elemente, zu verfügen� at first, one of these servicing elements spares, astro- was a european space suit called eVa- nauts’ supplies Zu diesen Servicing-elementen gehörte Suit 2000. however, this project was not Fuel for ISS 4,535 kilogramme zunächst der europäische Raumanzug pursued when Russia became a partner. re-boost eVa-Suit 2000� Dieses Vorhaben wurde a project that was implemented is the Storage capacity for circa 6,500 aber nach der aufnahme Russlands als european Robotic arm (eRa). Designed ISS waste kilogramme Partner nicht weiterverfolgt� Umgesetzt to support astronauts in extra-vehicular wurde der europäische Roboterarm (eRa), activities, it will be mounted on the ISS in Main propulsion 4 x 490-newton engines der astronauten bei außenbordeinsätzen 2012. another key competence is “auto- unterstützt und 2012 an der ISS montiert mated rendezvous and capturing”, mean- Flight and attitude 28 x 220-newton werden soll� Weiterhin zählte zu den ing the capability to approach and dock control engines Schlüsselkompetenzen das „automated on another craft in space under autono- power generation 4,800 Watts Rendezvous and Capturing“, also die mous control. Closely related to this was power consumption, 900 Watts/ Fähigkeit, selbstständig einen anderen the idea of an “automated transfer vehi- active/standby mode 400 Watts Raumflugkörper im all anzusteuern und cle” to ferry freight to the station. Con- Communication S-band via TDRS an ihm andocken zu können� eng hiermit temporary estimates of the space sta- with the ground verbunden war die Idee eines „automation’s logistical requirements prompted Communication S-band via prox.- ted transfer Vehicles“ für den automati- eSa to plan up to two aTV flights per with the ISS link schen Frachtverkehr zur Station� aufgrund year. For the International Space Station, der seinerzeit abgeschätzten logistischen which has been continuously modified navigation GpS, KURS, optical sensors anforderungen der Raumstation strebte together with Russia since its accession die eSa bis zu zwei atV-Flüge pro Jahr in 1993, eSa currently has plans for five launch February 16, 2011 an� Für die mit Russland ab 1993 konti- aTV flights until 2015, and another is Docking February 24, 2011 nuierlich neu angepasste Internationale scheduled for the period from 2015 to Scheduled mission nominally six Raumstation sind bis 2015 insgesamt 2020. duration months, scheduled fünf atV-Flüge sowie ein weiterer für for June 4, 2011 den Zeitraum 2015 bis 2020 vorgesehen� after most of the items in the cost of operating the ISS had been defined, a nachdem die ISS-Betriebskosten weitge- so-called barter agreement was negotiat- hend definiert waren, wurde das soge- ed with naSa. Regulating the compen- nannte Barter-abkommen mit der naSa sation of operating cost by payments in verhandelt� Dieses regelt den ausgleich der Betriebskosten durch Sachleistungen, sodass die Raumstationspartner möglichst keine Devisen untereinander austauschen müssen�

21 nach dem Beschluss der eSa-minister- kind, it keeps the exchange of foreign ratskonferenz im Jahr 1995 in toulouse currency between the space station part- über die europäische Beteiligung an der ners to a minimum. ISS ging atV dann in die entwicklungs- und Konstruktionsphase über� after the eSa Ministerial Council had approved europe’s participation in the ISS at its 1995 meeting in Toulouse, the aTV entered its development and design Hightech phase. aus europa Das Unternehmen eaDS astrium Space hightech transportation im französischen les mureaux zeichnete im auftrag der eSa from europe für die entwicklung von atV verantwortlich� Deutsche Firmen waren mit etwa Commissioned by eSa, the eaDS-astrium 24 Prozent beteiligt� atV ist teil des Space Transportation company of les europäischen Beitrags im ISS-entwick- Mureaux, France, assumed responsibility lungsprogramm, das den Bau des Proto- for the development of the aTV. The typen „Jules Verne” und die errichtung share of German companies in the Ingenieure integrieren in Kourou ATV aller Bodenanlagen, das atV-Kontroll- project was about 24 per cent. Forming „Johannes Kepler“ in eine Ariane 5-Rakete zentrum in toulouse sowie die notwendi- part of europe’s contribution to the Engineers are integrating the “Johannes ge anpassung der ariane-5 trägerrakete ISS development programme, the aTV Kepler” ATV in an Ariane 5 rocket in Kourou umfasst� project includes building the “Jules Verne” prototype, setting up all facilities Der Bau aller weiteren atV wird aus on the ground as well as the aTV control dem ISS-Betriebsprogramm finanziert� centre at Toulouse, and modifying the Das eaDS-tochterunternehmen astrium ariane-5 launcher as required. GmbH in Bremen ist hierfür Hauptauf- tragnehmer, ebenso für die Weiterent- all future aTVs will be built with funds wicklung des Konzepts� alle Komponen- from the ISS operating programme. The ten werden in die Hansestadt geliefert key contractor for building the aTVs and und dort montiert� refining the concept is astrium Gmbh of Bremen, a subsidiary of eaDS. all aTVs auch zahlreiche deutsche Zulieferfirmen will be integrated in Bremen, meaning arbeiten an atV mit� Ihr anteil nahm in that all components will be delivered and der Produktionsphase gegenüber der assembled there. entwicklungsphase noch zu� er beträgt numerous German suppliers are working on the european aTV, too. In the production phase, their share was even greater than in the development phase. Their share in the four aTVs that will be built after ”Jules Verne“ amounts to about 50 per cent. Thus, for example,

23� Oktober 2007: Start des Verbindungs- knotens Node 2 („Harmony“)

October 23, 2007: launch of connecting module Node 2 (“Harmony”)

7� Februar 2008: 11� März 2008: Start des europäischen Start des ersten Teils des Labormoduls COLUMBUS japanischen Labormoduls KIBO Expe- riment Logistics Module (ELM) February 7, 2008: launch of the European 22 March 11, 2008: research module COLUMBUS launch of the first part of the Japanese laboratory module KIBO Experiment Logistics Module (ELM) Die Internationale Raumstation > automated transfer Vehicle The International Space Station > automated Transfer Vehicle

An ATV beteiligt/Involved in ATV astrium GmbH entwicklung des fehlertoleranten Zentralrechners (FtC) und Bau für alle Flugeinheiten entwicklung des antriebssystems (PRSS) einschließlich antriebselektronik (PDe) und Bau für alle Flugeinheiten Integration des antriebssegments (ePB) für alle Flugeinheiten Integration des avioniksegments (eaB) für alle Flugeinheiten, außer „Jules Verne” Integration von eaB und ePB und Systemtest mit dem Integrated Cargo Carrier (ICC) bei allen Flugeinheiten Fertigung der 220 newton Steuertriebwerke für atV-2 bis atV-5 Development and production of a fault-tolerant computer (FTC) for all vehicles Development and production of a propulsion system (pRSS) including electronics (pDe) for all vehicles Integration of the propulsion segment (epB) in all vehicles Integration of the avionics segment (eaB) in all vehicles except “Jules Verne” Integration of eaB and epB in all vehicles; system test with the integrated cargo carrier (ICC) production of 220-newton control engines for aTV-2 through aTV-5 RWe/azur Solarzellen für alle Flugeinheiten Solar cells for all vehicles Friwo/SaFt nicht-aufladbare Batterien non-rechargeable batteries Jena optronik GmbH entwicklung und Bau des telegoniometers für alle Flugeinheiten und Bau von anteilen des Videometers für alle Flugeinheiten Development and production of telegoniometer for all vehicles; production of videometer parts for all vehicles mt-aerospace aG entwicklung und Produktion der treibstofftanks des antriebssegments (ePB) für alle Flugeinheiten, entwicklung und Bau der Steuerdüsenmodule (Struktur) für alle Flugeinheiten, Bau des Wasser- und Gas-Versorgungssystems für alle Flugeinheiten Development and production of propulsion segment (epB) fuel tanks for all vehicles Development and production of control jet modules (structure) for all vehicles production of water and gas distribution systems for all vehicles oHB System GmbH entwicklung des meteoriten- und Debris-Schutzschildsystems (mDPS) für das antriebssegment von „Jules Verne”, Verkabelung des antriebsegments von „Jules Verne“ und aller weiteren Flugeinheiten transportcontainer (mGSe) für das nutzlastmodul Development of the meteorite and debris protection shield (MDpS) for the propulsion segment of “Jules Verne” Cabling for the propulsion segment of “Jules Verne” and all subsequent vehicles Transport containers (MGSe) for the payload module teSat Spacecom GmbH Zentraleinkauf der elektrischen und elektronischen Bauteile (eee-Parts) für alle Flugeinheiten & Co KG Central purchasing of electrical and electronic components (eee parts) for all vehicles Vega Informations- Support für Simulationsmodelle technologien GmbH Support for simulation models DlR oberpfaffenhofen Koordination der Gesamtkommunikation zwischen den Kontrollzentren atV-CC-toulouse, mCC-Houston, mCC-moskau und Redù in Belgien im auftrag der astrium GmbH overall coordination of the communication between aTV-CC Toulouse, MCC-houston, MCC-Moscow and Redù (Belgium) on behalf of astrium Gmbh DlR lampoldshausen testkampagnen der deutschen wiederzündbaren oberstufentriebwerke der ariane 5eS für den atV-einsatz sowie teilweise für die 220 newton-Steuertriebwerke Campaigns to test the suitability of the German re-ignitable upper-stage engines of ariane 5eS for aTV missions Campaigns to test part of the 220-newton control engines DlR Bonn Politische Steuerung des europäischen ISS-Programms (deutscher anteil) über das DlR Raumfahrtmanagement im auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und technologie (BmWi) political direction of the european ISS-programm (German part) via the DlR Space administration on behalf of the Federal Ministry of economics and Technology (BMWi)

31� Mai 2008: Start des zweiten Teils des japanischen Labormoduls KIBO Pressurized Module (PM) 23 May 31, 2008: launch of the second part of the Japanese laboratory module KIBO Pressurized Module (PM) etwa 50 Prozent bei den vier atV nach eaDS astrium manufactures the propul- „Jules Verne”� So werden bei eaDS ast- sion section and integrates control-jet rium in lampoldshausen beispielsweise modules at lampoldshausen. ohB Sys- die antriebssektion gefertigt und Steuer- tem Gmbh of Bremen has developed the düsenmodule integriert� Die oHB System meteorite protection shield for the pro- GmbH in Bremen entwickelte den mete- pulsion section and supplies the cabling oritenschutzschild für die antriebssektion for the propulsion segment. MT-aero- und liefert die Verkabelung des antriebs- space of augsburg makes fuel tanks, segments� Das Unternehmen mt-aero- among other things. having designed space in augsburg stellt unter anderem the so-called telegoniometers that are a die treibstofftanks her� Die Firma Jena crucial element in the sensor system for optronik entwarf und produziert die rendezvous manoeuvres, Jena optronik sogenannten telegoniometer, den now produces them. wesentlichen teil der Sensoren für das Rendezvous-manöver� all in all, 30 companies from ten european states are involved in the production Die Darstellung zeigt die letzte Phase des Insgesamt sind 30 Firmen aus zehn euro- of the aTV. eight companies from Russia Anflugs von ATV „Johannes Kepler“ an die päischen Staaten an der atV-Produktion and the USa supply products and com- ISS vor dem Andocken� Stilisiert sind die beteiligt� acht Firmen aus Russland und ponents. Thus, the docking system that Infrarotlaser des Telegoniometers� Mit dem den USa liefern Produkte und Bauteile� has been working so well in the Soyuz menschlichen Auge sind sie nicht sichtbar� So kommt etwa das andocksystem, das and progress capsules comes from Rus- The animation shows ATV “Johannes Kepler” sich bisher bei den Sojus- und Progress- sia. The four main engines required by in the last phase of its approach before dock- kapseln bewährt hat, aus Russland� Die each aTV are supplied by aerojet, a US ing on the ISS. The infrared laser beams of vier Haupttriebwerke für jedes atV liefert company. all over the world, about the telegoniometer are shown for purposes die US-Firma aerojet� Weltweit arbeiten 1,500 persons are working on the of illustration. They are not visible to the human eye. etwa 1�500 Personen in der Großindus- project in industrial corporations, small trie, in kleinen und mittelständischen and medium-sized enterprises, and space Unternehmen und in den Raumfahrt- agencies. agenturen an dem Projekt� The aTV is the most complex spacecraft atV ist das komplexeste Raumfahrzeug, ever built in europe. Its level of auto- das je in europa gebaut wurde� Sein mation and fault tolerance markedly

Kosten im Überblick Cost Overview atV-entwicklungsprogramm inklusive Bodensegment, circa 1,4 milliarden euro Kauf einer ariane-5-trägerrakete und ariane-5-anpassung aTV development programme including the ground segment, circa 1.4 billion euros the purchase and modification of an ariane-5 launcher

davon atV-1 „Jules Verne“ (nur Raumfahrzeug) circa eine milliarde euro, deutscher anteil 24 Prozent of which aTV-1 “Jules Verne” (spacecraft only) circa one billion euros, Germany’s share 24 per cent atV-Produktionsprogramm (vier weitere atVs nach „Jules Verne”) circa eine milliarde euro, deutscher anteil 50 Prozent aTV production programme (four more aTVs after “Jules Verne”) circa one billion euros, Germany’s share 50 per cent

15� März 2009: 15� Juli 2009: Start des Solarsegments S6 Start des äußeren Teils des japanischen Labormoduls KIBO Exposed March 15, 2009: Facility (EF) launch of the solar truss structure S6 July 15, 2009: launch of the external platform of the Japanese laboratory module KIBO Exposed Facility (EF) Die Internationale Raumstation > automated transfer Vehicle The International Space Station > automated Transfer Vehicle

automationsgrad und seine Fehlertole- exceeds that of the Russian Soyuz and ranz sind wesentlich höher als bei den progress vehicles. except Russia and russischen Sojus- oder Progress-Fahrzeu- Japan, therefore, europe alone has an gen� außer Russland und Japan verfügt autonomous spacecraft capable of somit nur europa über ein autonomes approaching and docking on the ISS Raumfahrzeug, das in der lage ist, sich automatically. automatisch an die ISS anzunähern und anzudocken� The total cost of development amounts to about 1.35 billion euros. This includes Die gesamten entwicklungskosten the prototype (aTV 1 “Jules Verne”, belaufen sich auf etwa 1,35 milliarden about one billion euros), the ground seg- euro� Darin enthalten sind der Prototyp ment, the modification of ariane-5, and (atV-1 „Jules Verne” mit etwa einer the launcher itself. German companies milliarde euro), das Bodensegment, die received orders worth about 240 million anpassung der ariane-5 sowie die träger- euros in connection with “Jules Verne”. rakete selbst� Deutsche Firmen erhielten bei „Jules Verne“ aufträge in Höhe von etwa 240 millionen euro� ATV „Jules Verne“ wird in Kourou Success in Space mit Fracht beladen ATV “Jules Verne” being loaded with after 202 days in space, europe’s first cargo in Kourou erfolg im all aTV mission ended on September 29, 2008, as spectacularly as it had begun: nach 202 tagen im all endete schließlich in heat and fire. The spacecraft burned am 29� September 2008 europas erste up about 75 kilometres above the south- atV-mission so spektakulär wie sie begon- ern pacific. even the last phase, the vehi- nen hatte: mit Hitze und Feuer� Das Raum- cle’s destructive re-entry into the earth’s fahrzeug verglühte etwa 75 Kilometer atmosphere, formed an object of research. über dem Südpazifik� Selbst die letzte The remnants of aTV-1 came down in an Phase, der Wiedereintritt des Vehikels in uninhabited region of the pacific ocean. die erdatmosphäre, war Gegenstand der Forschung� Die Reste von atV-1 gingen The last phase of the mission was also in einem unbewohnten Bereich des followed from the ISS, where the instru- Pazifischen ozeans nieder� ments of the planes were complemented by FIalKa, an instrument designed for Von der ISS aus wurde die letzte Phase observations in the visual and UV band. der mission verfolgt: FIalKa, ein Instru- Two planes equipped with special sen- ment zur Beobachtung im optischen und sors and cameras operating in the visual, im UV-Bereich, ergänzte Instrumente auf infrared, and ultraviolet range observed Flugzeugen, die den Wiedereintritt von the aTV as it flew through the atmos- atV ebenfalls aufgezeichnet haben� Die phere, heated up, and ultimately broke ergebnisse sollen dazu dienen, modelle apart. The results would be used to vali- von Simulationsprogrammen der eSa date modules in simulation programmes und der naSa zu überprüfen� Dadurch sollen noch genauere Simulationen des

16� November 2009: Start der externen Logistik- plattformen ExPRESS Logistics Carrier (ELC) 1 und 2

November 16, 2009: launch of the external logistics platforms ExPRESS Logistics 10� November 2009: Carrier (ELC) 1 and 2 Start des russischen Dockingmoduls POISK Mini-Research Module 2

November 10, 2009: launch of the Russian docking mod- 25 ule POISK Mini-Research Module 2 auseinanderbrechens von Raumfahrzeu- used by eSa and naSa. The objective gen beim Wiedereintritt in die erdatmo- was to improve the simulation of the sphäre möglich werden� Ziel ist eine bes- break-up of a spacecraft when it enters sere Vorhersage darüber, welche art von the earth’s atmosphere, permitting more Fragmenten den Wiedereintritt überste- exact predictions of what kind of frag- hen könnte� ments might survive re-entry.

atV war während seiner Zeit im all nicht During its time in space, the aTV was nur ein hochwillkommener Zusatzraum highly welcome not only because it für die astronauten, denen sogar das offered additional space to the astro- Schlafen im relativ ruhigen „Jules Verne“ nauts, who were even permitted to sleep gestattet worden war� Insgesamt wurden inside the relatively quiet “Jules Verne”, zudem vier „Reboosts“ durchgeführt� but also because it performed a total of nach und nach wurden auch trinkwasser four re-boosts. executed at intervals of und Fracht in die ISS umgeladen� auch one month, these orbit-raising manoeu- die neue atemluft wurde aus dem atV vres serve to compensate losses in the in die ISS eingebracht� mitte Juni 2008 space station’s altitude caused by the wurde das russische Servicemodul Swesda drag of the residual atmosphere. Gradu- betankt� ally, drinking water and freight were moved to the ISS, as was the supply of Insgesamt dockte atV drei Wochen län- fresh air. In mid-June 2008, the tanks of Am 16� Februar 2011 startete der zweite ger als geplant an der Raumstation an� the Russian service module Zvezda were europäische Raumtransporter, das ATV am 27� august 2008 führte das Raum- replenished. (Automated Transfer Vehicle) „Johannes Kep- ler“ um 22:50 Uhr MEZ mit einer Ariane 5ES fahrzeug außerplanmäßig noch ein vom Weltraumbahnhof Kourou in Franzö- „avoidance manoeuvre“ zur Kollisions- all in all, the aTV remained docked on sisch-Guyana zur Internationalen Raumstati- vermeidung mit Weltraumtrümmern für the space station for three weeks longer on (ISS) die ISS durch� Dabei wurde die Station than scheduled. on august 27, 2008, The Automated Transfer Vehicle (ATV) horizontal um 180 Grad gedreht, sodass moreover, the spacecraft performed an “Johannes Kepler” was launched on a speci- atV sie mit seinen triebwerken um etwa unscheduled avoidance manoeuvre to ally modified launcher, the Ariane 5ES, at einen meter pro Sekunde abbremsen keep the space station from colliding with 22:50 CET on February 16, 2011, from space- konnte� Der geringe Höhenverlust schaff- orbital junk. The manoeuvre involved port Kourou in French-Guiana te mehr Distanz zu den trümmerstücken rotating the station horizontally by 180 eines ehemaligen russischen Satelliten� degrees to enable the aTV to slow it down am 5� September 2008 erfolgte das by about one metre per second with abdockmanöver� Bis zum Wiedereintritt its engines. This small loss of altitude in die erdatmosphäre am 29� September increased the distance to the debris left 2008, bei dem die zuvor aufgenomme- behind by a former Russian satellite. The undocking manoeuvre took place on September 5, 2008. aTV-1 underwent some more tests of its engines and sensors before its re-entry into the earth’s atmosphere on September 29, 2008, when the waste with which it had been previously loaded burned up together with the spacecraft itself.

The first aTV mission was a landmark 8� Februar 2010: step in european astronautics. The fresh Start des Verbindungsknotens Node 3 operational information it provided will („Tranquility“) be employed in preparing subsequent February 8, 2010: missions. launch of the connecting module Node 3 (“Tranquility”)

26 Die Internationale Raumstation > automated transfer Vehicle Das System Internationale Raumstation > The International Space Station > automated Transfer Vehicle Das System Internationale Raumstation >

nen abfälle zusammen mit dem Raum- Höhepunkte der ATV-2-Mission fahrzeug verglühten, absolvierte atV-1 Supplies noch einige tests mit seinen triebwerken Die schwerste bisher auf einer ariane 5eS gestartete nutzlast und Sensoren� for the ISS transport von circa sieben tonnen netto- nutzlast (einschließlich treibstoffe) Die erste atV-mission war ein wegwei- “Johannes Kepler” was launched on sender Schritt für die europäische Raum- February 16, 2011, at 22:50 CeT from neun geplante Reboost-manöver und lage- fahrt� Die operationellen erkenntnisse Kourou. eight days later, the vehicle regelung für die ISS fließen in die Vorbereitung der kommen- docked successfully on the space station Betankung des russischen Servicemoduls den missionen ein� and will remain for at least presumably Swesda three months. Zusätzlicher Raum (für experimente und als Schlafplatz für die Crew) The aTV-2 carries a payload of about nachschub Wiederholte Demonstration aller atV- seven tons including the German experi- Fähigkeiten ment equipment GeoFloW 2. according erstes atV aus der Serienproduktion für die ISS to current plans, the aTVs will account „Johannes Kepler“ startete am 16� Feb- for about 28 tons of cargo until 2015. ruar 2011 um 22:50 Uhr mitteleuropäi- Until 2012, the ISS will be supplied by scher Zeit (meZ) von Kourou� Das Raum- naSa’s space shuttle. In addition, there will be Russia’s progress spacecraft and fahrzeug dockte acht tage später erfolg- ATV-2 mission highlights reich an der Raumstation an und wird Japan’s hTV transfer vehicles. From 2013 The heaviest payload launched so far on an dort voraussichtlich drei monate bleiben� onwards, the logistical services of the space shuttles will be largely taken over ariane-5eS by commercial US providers, like SpaceX Transport of circa 7 tons of net payload atV-2 trägt eine nutzlast von sieben (fuels included) tonnen und transportiert auch die deut- and orbital Sciences. sche Versuchseinrichtung GeoFloW 2� nine scheduled re-boost manoeuvres plus ISS attitude control Bis ins Jahr 2015 werden die atV insge- after the successful flight of aTV-2, samt 28 tonnen Fracht zur ISS bringen� three more flights are scheduled until Fuelling of the Russian Svesda service Um die ISS zu versorgen, fliegen zusätz- 2015. Work on the next missions is module already going ahead. lich zu den atV bis 2011 noch die Space additional space for experiments (and as a Shuttles der naSa sowie die russischen crew dormitory) aTV-3 “edoardo amaldi” and aTV-4 are Progress-Raumschiffe und der japanische Repeated demonstration of all aTV transporter HtV� ab 2013 sollen kom- being built even now. The components capabilities of aTV-5 are being procured. “edoardo merzielle US-anbieter wie SpaceX und First aTV from series production orbital Sciences die logistik der Space amaldi” is scheduled for launching in Shuttles weitgehend ersetzen� February 2012, followed by the others at approximately one-year intervals. aTV-6 nach dem erfolgreichen Flug von atV-2 might supply the ISS in the middle of the sind bis 2015 drei weitere Flüge geplant� extension period from 2015 to 2020. an den nächsten missionen wird bereits gearbeitet� atV-3 „edoardo amaldi“ und atV-4 befinden sich bereits im Bau� Die Bauteile von atV-5 werden beschafft� „edoardo amaldi“ soll im Februar 2012 starten, die weiteren in etwa jährlichen abständen� atV-6 könnte in der mitte des möglichen Der europäische Raumtransporter ATV-2 Verlängerungszeitraums 2015 bis 2020 wird voraussichtlich noch bis Juni 2011 die ISS versorgen� an der ISS angedockt bleiben

The European space transporter ATV-2 will be docked presumably until June 2011 on the ISS

27 ColUmBUS ColUMBUS

Das europäische The european Forschungsmodul Research Module

am 7� Februar 2008 war es soweit: February 7, 2008 was the day of the Die Raumfähre atlantis brachte das euro- big event: the space shuttle atlantis took päische Weltraumlabor ColUmBUS zur off to deliver the european ColUMBUS Internationalen Raumstation� Die eSa- space laboratory to the International astronauten Hans Schlegel (Deutsch- Space Station. The eSa astronauts hans land) und léopold eyharts (Frankreich) Schlegel (Germany) and léopold eyharts halfen bei der montage an der ISS mit (France) performed extra Vehicular activi- außeneinsätzen� am 11� Februar 2008, ties (eVas) to assemble ColUMBUS on 22:44 meZ, galt die Integration offiziell the ISS. on February 11, 2008, at 10.44 als beendet� In der Folge wurde unter pm CeT, the integration was officially mithilfe von eyharts ColUmBUS in declared complete. Betrieb genommen� With eyharts’ assistance, ColUMBUS Die Shuttle-mission 122 lieferte damit was subsequently commissioned. This europas Hauptbeitrag zum internationa- made shuttle mission 122 europe’s main len Forschungsprojekt ISS� ColUmBUS contribution to this international research ist das erste europäische Weltraumlabor project ISS. ColUMBUS is the first euro- für dauerhafte, multidisziplinäre Forschung pean space laboratory designed for per- im all� Die Integration des 6,9 meter lan- manent multidisciplinary research in gen und 4,5 meter breiten labors am space. The integration of the laboratory, Verbindungsknoten 2 („Harmony“) war 6.9 metres in length and 4.5 metres in der abschluss jahrelanger Vorbereitung width, at node 2 (harmony) marked the und harter arbeit� mit einer geplanten culminating point of years of preparation lebensspanne von mindestens zehn Jah- and hard work. With its scheduled life of ren schreibt ColUmBUS schon jetzt als no less than ten years, ColUMBUS has erstes europäisches Raumlabor für die already gone down in history as europe’s first space laboratory for long-term research under space conditions. The laboratory is primarily designed for research in the materials and life sciences as well as for physics and the development of new technologies. platforms attached to its outer wall serve to expose experiments to free space. Industrial and commercial exploitation has been initiated and will be expanded in the future.

8� Februar 2010: Start des Aussichtsmoduls Cupola

February 8, 2010: launch of the observatory module Cupola

14� Mai 2010: Start des russischen Fracht- und Kopplungsmoduls Rassvet – Mini-Research Module 1 28 May 14, 2010: launch of the Russian cargo and coupling module Rassvet – Mini-Research Module 1 Die Internationale Raumstation > ColUmBUS The International Space Station > ColUMBUS

langzeitforschung unter Weltraumbedin- It is at the laboratory that european gungen Geschichte� Das labor ist primär astronauts spend most of their working für die Forschungsgebiete material- und hours. In addition to ferrying up the lebenswissenschaften, Physik und die logistical supplies for the crews of the entwicklung neuer technologien ausge- space station, the ColUMBUS mission legt� an seiner außenwand bieten Platt- carried equipment and material for formen möglichkeiten, experimente dem installation inside and outside the euro- freien Weltraum auszusetzen� Die indus- pean laboratory to the ISS. In addition trielle, kommerzielle nutzung des labors to new experimental apparatus, the wurde ebenfalls eingeleitet und soll künf- crew received a new piece of equipment tig ausgebaut werden� Das labor ist der called the european flywheel exercise Hauptarbeitsplatz für die europäischen device, which, working by induced fric- astronauten� tion, will help astronauts to keep the mass and functionality of their muscles neben der logistischen Versorgung für from deteriorating and their bones from die Crew und die Raumstation wurden weakening. im Zuge der mission ColUmBUS aus- rüstung und material für die innere und äußere ausstattung des europäischen hightech made labors zur ISS gebracht� Zusätzlich zu den Die COLUMBUS-Crew im frisch integrierten anlagen für experimente war als neuer in Germany Forschungslabor: Unten Stephen Frick und ausrüstungsgegenstand der Stationsbe- Peggy Whitson (beide NASA)� Zweite Reihe: satzung das „european Fly-wheel exer- Daniel Tani (NASA), Léopold Eyharts (ESA), as main contractor, eaDS astrium of Yuri Malenchenko (Roskosmos)� Oben: cise Device“ dabei, ein nach dem Prinzip Bremen led a consortium of 41 companies Stanley Love (NASA), Hans Schlegel (ESA), des induzierten Widerstands arbeitendes from 14 countries which were responsi- Leland Melvin, Rex Walheim und Alan trainingsgerät� es hilft den astronauten ble for developing, building, integrating, Poindexter (alle NASA)� gegen den abbau von muskelmasse und and testing ColUMBUS. Quoting a fixed Knochenstärke sowie gegen die Schwä- The COLUMBUS crew in the freshly-integrat- price, the development contract was ed research laboratory. Below: Stephen Frick chung der muskelfunktion� signed in March 1996. The total cost of and Peggy Whitson (both NASA). Second the module amounted to 800 million row: Daniel Tani (NASA), Léopold Eyharts euros, test facilities included, of which (ESA), Yuri Malenchenko (Roskosmos). Top: Stanley Love (NASA), Hans Schlegel (ESA), Hightech made German manufacturers received orders Leland Melvin, Rex Walheim, and Alan Poin- in Germany worth about 450 million euros. dexter (all NASA). als Hauptauftragnehmer für ColUmBUS führte eaDS-astrium in Bremen ein Kon- sortium von 41 Unternehmen aus 14 ländern an, das für entwicklung, Ferti- gung, Integration und tests verantwortlich war� Der Festpreisvertrag für die entwicklung wurde im märz 1996 unterzeichnet� Die Gesamtkosten für das modul betrugen einschließlich der testeinrich- tungen 880 millionen euro� Hiervon fielen etwa 450 millionen euro für die deutsche Industrie an�

Die deutsche Industrie spielte ebenfalls bei der entwicklung und beim Bau von technisch anspruchsvollen laborausrüs- tungsgegenständen eine entscheidende

29 Rolle� So hatte sie beispielsweise die Germany’s industry also played a crucial Systemführung bei der entwicklung der role in the development and construction experimentieranlagen BIolaB (für biolo- of technically sophisticated laboratory gische Forschung; eaDS astrium), ePm equipment. Thus, for example, German (european Physiology modules für medi- companies were put in charge of system zinische Forschung; oHB) und mSl management in the development of the (materials Science lab für materialwis- BIolaB experimental facilities (for biolog- senschaftliche Forschung; eaDS astrium) ical research; eaDS astrium), the epMs inne� Weitere deutsche Firmen waren als (european physiology modules for medical Unterauftragnehmer an der entwicklung research; ohB), and the MSl (materials beteiligt� auch die Proben-Gefriereinrich- science laboratory; eaDS astrium). Fur- tung melFI (bis minus 80 Grad; maßgeb- ther German companies were involved liche entwicklung durch die Firma linde) in these developments as subcontractors. oder die wissenschaftliche Probenhantier- other essentially German developments Der deutsche Astronaut Thomas Reiter einrichtung microgravity Science Glove- include the MelFI sample freezer (down hantiert mit einem Probeneinschub der box (mSG; eaDS astrium) stammen to -80 degrees Celsius; development led MELFI-Gefrieranlage im Wesentlichen aus Deutschland� Für by linde) and the Microgravity Science entwicklung und Fertigung des Data- Glovebox sample handling equipment German astronaut Thomas Reiter handling management-Systems (DmS-R), das von (MSG; eaDS astrium). Furthermore, Ger- a sample tray of the MELFI freezer eaDS astrium mit einem fehlertoleranten many was responsible for the develop- Rechner ausgestattet wurde, war Deutsch- ment and manufacture of the data man- land ebenfalls verantwortlich� Vom russi- agement system (DMS-R) which was schen Service-modul aus lenkt es wichtige equipped with a fault-tolerant computer Funktionen der ISS-Kontrolle� Das DmS-R by eaDS astrium. located in the Russian wurde bereits im Jahr 2000 installiert service module, DMS-R handles impor- und arbeitet seit anfang 2001 zuverlässig� tant ISS control functions. Installed as early as 2000, DMS-R has been working reliably since the beginning of 2001.

Yet another batch of German contributions includes control elements integrated in the european robotic arm (eRa) and the important connecting nodes 2 and 3, which have already been integrated in the ISS. The eRa robotic arm will be delivered to the station by a Russian proton transport vehicle in 2012.

24� Februar 2011: Start der externen Logistikplatt- form ExPRESS Logistics Carrier (ELC) 4

February 24, 2011: launch of the external storage platform ExPRESS Logistics Carrier (ELC) 4 30 Die Internationale Raumsstation > ColUmBUS The International Space Station > ColUMBUS

Deutschland ist ebenfalls mit Steuerungs- elementen am europäischen ISS-Roboter- The Infrastructure arm (eRa) und den Verbindungsknoten 2 und 3, die bereits in die ISS integriert of ColUMBUS wurden, beteiligt� Der Roboterarm eRa soll 2012 mit einem russischen Proton- ColUMBUS is the smallest of six labora- transporter zur Station gebracht werden� tory modules on the space station. In spite of terms of volume, data capacity, and energy consumption, the same number of experiments can be carried Die ColUmBUS- out here as in the other laboratories. Moreover, ColUMBUS managed to carry 2,500 kilogrammes of payload at launch Infrastruktur time to keep transport cost low. The Zwar ist ColUmBUS das kleinste der european laboratory can accommodate sechs labormodule der Raumstation� up to three astronauts working on scien- trotzdem können hier vom Volumen, tific experiments at any one time. The der Datenkapazität und dem energiever- module’s outer wall consists of several brauch her ebenso viele experimente layers of the materials aluminium, Kevlar, wie in den anderen labors durchgeführt and nextel to protect it from damage by werden� Zudem konnte ColUmBUS micro-meteorites and space junk as well mit 2�500 Kilogramm nutzlast gestartet as from cosmic radiation. Moreover, werden und so transportkosten senken� the structure of the outer wall provides Bis zu drei astronauten können in dem excellent heat insulation. The space sta- europäischen labor an wissenschaftli- tion’s solar generators provide ColUMBUS Das europäische Forschungslabor COLUMBUS with 20 kilowatts of power, of which auf seinem Weg in die Nutzlastbox des Space chen experimenten arbeiten� Die außen- Shuttle Atlantis wand des moduls besteht aus mehreren 13.5 kilowatts may be used to operate lagen der Werkstoffe aluminium, Kevlar scientific equipment. The European COLUMBUS research laboratory und nextel, die das labor vor Beschädi- on its way into the payload bay of the Atlantis space shuttle gungen durch mikrometeoriten und Weltraummüll sowie vor kosmischer Strahlung schützen� Die Struktur der außenwand ermöglicht eine starke tem- peraturisolierung� Die Solargeneratoren der Raumstation versorgen ColUmBUS mit einer leistung von 20 Kilowatt, von denen 13,5 Kilowatt für die wissenschaftlichen einrichtungen genutzt werden können�

Im Inneren ist das europäische Raumlabor mit 16 Racks ausgestattet, in denen – ähnlich wie bei einbauschränken – experimentanlagen, laborausrüstung, Compu- ter und technische Systeme untergebracht sind� Sie können Versuchseinrichtungen

24� Februar 2011: Start des permanenten Logistikmoduls PMM Leonardo

February 24, 2011: launch of the permanent logistics module PMM Leonardo 31 von bis zu 700 Kilogramm masse auf- In its interior, the european space labora- Im Forschungslabor ColUmBUS stehen den nehmen� Die Racks sind nach einem tory is furnished with 16 racks which – Wissenschaftlern folgende Racks zur Verfü- gung: internationalen Standard gebaut, der similar to fitted cupboards – hold experi- den austausch mit amerikanischen und mental apparatus, laboratory equipment, BIolaB: Rack zur Untersuchung von mikro- japanischen experimentmodulen ermög- computers, and technical systems. Up to organismen, Zellkulturen und Gewebepro- licht� Diese stellen die Schnittstelle für 700 kilogrammes of experimental equip- ben sowie kleiner Pflanzen oder tiere, um Stromversorgung, Kühlsysteme sowie ment can be accommodated. all racks die Rolle der Schwerkraft für entwicklung und Wachstum von organismen besser ver- Video- und Datenleitungen bereit� Bei are built to an international standard to stehen zu lernen� Bedarf können die experimentanlagen make them interchangeable with ameri- getauscht oder ersetzt werden� can and Japanese experimental modules. Fluid Science laboratory: Rack zur Unter- They provide a port for power supply, suchung von Flüssigkeiten, insbesondere Per tele-operation können Wissenschaft- cooling systems, as well as CCTV and deren Verhalten� Ziel sind Verbesserungen in der energiegewinnung, der effektivität ler von der erde aus teilweise direkt in data cables. experimental facilities can von treibstoffen oder bei Umweltfragen� den Versuchsablauf eingreifen und Para- be exchanged or replaced as required. meter ändern� Drei der 16 Racks sind european Physiology modules: Rack zur System-Racks, die zum Beispiel die Kabi- Tele-operation enables scientists on earth Untersuchung des menschlichen Körpers und dessen Verhalten in Schwerelosigkeit nenluftaufbereitung und -kontrolle, to intervene in experiments and change anhand von Selbstversuchen der astronau- Steuerung und Überwachung der Kühl- parameters if required. Three of the six- ten� muskel- und Knochenschwund, Flüssig- kreisläufe, energieverteilung, Datenma- teen racks contain systems which handle, keitskreisläufe, atmung, Stoffwechsel, nagement und das Feuerunterdrückungs- for example, the regeneration and moni- Immunsystem und Gehirnaktivitäten können system steuern� Drei weitere Racks toring of the cabin air, the control and genau analysiert werden� dienen als Stauraum� monitoring of the cooling circuits, the european Drawer Rack: Rack für den distribution of energy, the management flexiblen einbau kleinerer experimente ColUmBUS ist am Knoten 2 angedockt� of data, and fire suppression. Three of unterschiedlicher Disziplinen� Über diesen Knoten wird Frischluft in the other racks provide storage space. das modul eingeleitet, die aus dem amerikanischen und russischen teil der ColUMBUS is docked on node 2, from Station bezogen wird� ein europäisches where oxygen – provided by the ameri- System zur Sauerstoffaufbereitung can and Russian sections – is induced in (aClS advanced Closed loop life Sup- the european laboratory. The develop- port System) befindet sich in der ent- ment of a european oxygen regeneration wicklung� aClS, vergleichbar mit dem system (aClS, advanced Closed-loop amerikanischen System, soll nach dem life Support System) is in progress. Com- parable to the american system, aClS will be based on the closed-cycle principle. The water (process water, conden- sate and fresh water) on the ISS is used to generate enough oxygen for three astronauts. once aClS becomes permanently operational, the volume of water to be transported annually will be reduced by about 500 kilogramme, saving ten million euros in the european share of the operating cost.

geplant für April 2011: Start des Weltraumforschungsmoduls Alpha-Magnet-Spektrometer 2 scheduled for April 2011: launch of the research module geplant für April 2011: Alpha-Magnet-Spectrometre 2 Start der externen Logistikplattform ExPRESS Logistics Carrier (ELC) 3

32 scheduled for April 2011: launch of the external logistics platform ExPRESS Logistics Carrier (ELC) 3 Die Internationale Raumstation > ColUmBUS The International Space Station > ColUMBUS

Prinzip eines geschlossenen Kreislaufs Cabin air pollution may present a serious funktionieren� Der Sauerstoff für drei threat to the astronauts on the ISS, so Scientists have access to the following racks inside the ColUMBUS research laboratory: astronauten wird aus dem auf der ISS much so that the station might have to vorhandenen Wasser (Brauchwasser, be evacuated, gravely endangering its BIolaB: rack for examining micro-orga- Kondensat und Frischwasser) erzeugt� mission. To avoid unnecessary evacua- nisms, cell cultures, and tissue samples as mit der dauerhaften Inbetriebnahme von tions, an infrastructural element called well as small plants or animals in order to aClS könnte der Wassertransport um anITa (analysing interferometer for improve our understanding of the part played by gravity in the development and jährlich etwa 500 Kilogramm gesenkt ambient air) checks 32 gaseous pollut- growth of organisms. und dadurch zehn millionen euro des ants in the cabin air. anITa has already europäischen Betriebskostenanteils ein- been tested successfully. The accuracy Fluid science laboratory: rack to examine gespart werden� and reliability of this new measuring fluids and especially their behaviour. The technology is paving the way for a new aim is to improve energy generation methods, the efficiency of fuels, and environmental Verunreinigungen der Kabinenluft kön- generation of trace gas scanners. The aspects. nen eine ernste Gefahr für die astronau- development of a “second-generation” ten der ISS bedeuten, zur evakuierung anITa is being considered. european physiology modules: rack to exa- der Station führen und so missionen mine the human body and its behaviour in microgravity by astronauts experimenting ernsthaft gefährden� Um unnötige eva- Four platforms on the outer skin accom- on themselves. The equipment can precisely kuierungen zu vermeiden, analysiert das modate experiments which researchers analyse muscle and bone atrophy, fluid cyc- Infrastrukturelement anIta (analyzing want to expose directly to space. Moreo- les, respiration, the metabolism, the immune Interferometer for ambient air) 32 gas- ver, they enable scientific observations of system, and the activity of the brain. förmige Verunreinigungen der Kabinen- the Sun and the earth. european drawer rack: rack available for luft� anIta wurde bereits erfolgreich accommodating smaller experiments in vari- getestet� Genauigkeit und Zuverlässig- ous disciplines. keit dieser messtechnologie bahnen einer neuen Generation von Scannern für Spurengase den Weg� Überlegungen zu einem anIta der zweiten Generation sind im Gange� an der außenhülle können an vier Platt- formen experimente angebracht werden� Die Forscher setzen so ihre Versuchsan- ordnungen direkt dem Weltraum aus� auch eine wissenschaftliche Betrachtung der Sonne und der erde wird so möglich�

geplant für 2012: Start des europäischen Roboterarms European Robotic Arm (ERA)

scheduled for 2012: geplant für 2012: launch of the European Start des russischen Fracht- und Robotic Arm (ERA) Labormoduls NAUKA – Multipurpose 33 Laboratory Module (MLM) scheduled for 2012: launch of the Russian cargo and laboratory module NAUKA – Multipurpose Laboratory Module (MLM) 34 DeUtSCHe FoRSCHUnG aUF DeR ISS GeRMan ReSeaRCh on The ISS

35 Forschung unter Weltraumbedingungen Research under Space Conditions

Von einfachen physikalischen bis zu From simple physical to complex bio- komplexen biologischen Systemen – logical systems, the force of gravity die Gravitation beeinflusst alle Vor- influences everything that happens gänge auf unserer Erde� Häufig spielt on our Earth. In many ways, the sie eine unübersehbare Rolle: Gegen- effects of gravity are there for all to stände fallen zu Boden, Wasser fließt see: things fall to the ground, water ins Tal, und Gasblasen im kochenden flows downhill, and gas bubbles rise Wasser treiben nach oben� Bei vielen in boiling water. At the same time, Vorgängen in Natur und Technik ist there are many natural and technical der Einfluss der Schwerkraft jedoch processes in which the influence of nicht unmittelbar zu erkennen� gravity is not immediately distin- guishable. Dennoch ist sie als konstante Größe auch hier von grundsätzlicher Bedeutung� Yet it is as fundamental a constant here In der evolution sind erdanziehung und as elsewhere: throughout the history of leben auf unserem Planeten seit rund evolution, i.e. for three billion years and dreieinhalb milliarden Jahren untrennbar a half, life on our planet has been inex- miteinander verbunden� Unser ganzes tricably interwoven with the force of leben ist ein ständiger Kampf mit der gravity. our entire life is spent in a per- Schwerkraft: vom laufenlernen eines manent struggle against gravity, from Babys bis zu den Gebrechen des alten babies learning to toddle to elderly and und kranken menschen� sick people suffering from aches and pains. Wenn Wissenschaftler etwas über die Rolle eines Faktors in einer Gleichung When scientists want to learn about erfahren wollen, verändern sie seine the part played by a certain factor in an Größe oder schalten ihn sogar ganz aus� equation, they normally change its inten- Für den Faktor Schwerkraft ist dies für sity or even eliminate it altogether. Gravi- längere Zeiträume erst durch die Raum- ty, however, can be eliminated only in fahrt möglich geworden� In unmittelba- space, at least for prolonged periods. rer erdnähe ist Schwerelosigkeit nur für near to earth, microgravity can be real- kurze Zeit möglich: im Fallturm Bremen, ised only briefly: in the Bremen drop auf Flugzeugparabelflügen oder auf For- tower, in aircraft on a parabolic trajecto- schungsraketen� Ist länger andauernde ry, or in research rockets. Whenever Schwerelosigkeit für die Forschung not- lengthier periods of microgravity are wendig, muss die Wissenschaft die erde needed in research, science must leave verlassen und in den Weltraum gehen� earth behind and go to space where Dort stehen Forschungssatelliten wie research satellites like FoTon or BIon Foton und BIon oder eben die ISS zur and, of course, the ISS are available. Verfügung� Das Programm „Forschung Bundling up all research efforts, a pro- unter Weltraumbedingungen“ bündelt gramme entitled Research Under Space diese aktivitäten und bildet so eines der Conditions was set up to explore the Fachprogramme des nationalen Raum- influence of gravity changes, forming a fahrtprogramms� separate research focus within Germa- ny’s national space programme.

36 Deutsche Forschung auf der ISS > Forschung unter Weltraumbedingungen German Research on the ISS > Research under Space Conditions

mit der Forschung unter Weltraumbedin- The DlR pursues three overarching goals gungen verfolgt das DlR drei übergeord- with its Research Under Space Condi- Fluggelegenheiten für Forschung nete Ziele: tions programme: unter Weltraumbedingungen / Flight Opportunities for Research Die Natur erforschen: To Explore Nature: under Space Conditions Der Weltraum bietet einzigartige mög- Space offers unique opportunities to Unbemannt / Unmanned lichkeiten, die Gesetze der Physik von der review the laws of physics, from the theo- Relativitätstheorie bis zur Quantentheorie ry of relativity to the quantum theory, and zu überprüfen und den Urfragen der to investigate mankind’s most fundamen- menschheit nachzugehen� aufbruch zu tal questions. Setting out for new hori- neuen Horizonten in der Physik und erfor- zons in physics and exploring some of the schung grundlegender lebensfunktionen fundamental functions of life are the key sind Schwerpunkte der Forschung im ambition of scientific research in space. Weltraum� To Open up Application Potentials: Fallturm 5–9 sec Drop Tower 5–9 sec Anwendungspotenziale eröffnen: To make progress in technology, we need technologischer Fortschritt erfordert to know about fundamental phenomena Wissen um grundlegende Phänomene� which can be explained by experiments in Weltraumexperimente helfen, diese Phä- space. This being so, the programme is a nomene zu erklären� Das Programm ist source of inspiration for innovative tech- ein wichtiger Impulsgeber für innovative nologies in materials and combustion technologien in materialforschung und research as well as for new methods of Forschungsrakete Verbrennung sowie für neue Diagnose- medical diagnosis and treatment. 6–12 min Sounding Rocket und therapiemethoden in der medizin� 6–12 min To Enable Exploration: Exploration ermöglichen: The programme will contribute a great Für zukünftige langzeitmissionen zu deal to future long-range missions to the mond, mars oder anderen fernen Zielen Moon, Mars, or other remote destina- wird das Programm einen wichtigen tions, not least because it makes use of Beitrag leisten� Für derart ausgedehnte the ISS. Before we can undertake such Reisen müssen grundlegende Voraus- lengthy journeys, however, we need to setzungen geschaffen werden, etwa durch prepare the ground by, for example, Satellit < 1 monat entwicklung neuer technologien, aber developing new technologies or search- Satellite < 1 Month auch durch die Suche nach methoden, ing for methods to safeguard the health mit denen wir die Gesundheit und leis- and performance of astronauts over Bemannt / Manned tungsfähigkeit der astronauten langfris- prolonged periods. tig erhalten können� We pursue these overarching goals auf diese übergeordneten Ziele wird in under four specific research topics, vier thematischen Schwerpunkten hinge- namely arbeitet: - to investigate basic vital functions, - erforschung grundlegender lebens- - to develop new methods of diagnosis Parabelflüge 22 sec funktionen, and treatment in medicine, parabolic Flights 22 sec - entwicklung neuer Diagnostikmetho- - to expand the horizons of physical den und therapien in der medizin, research, and - erweiterung der Horizonte in der physi- - to explore innovative materials. kalischen Forschung, Raumstation - innovative materialforschung� > 1 monat International Space Station ISS > 1 Month

37 experimente von 2001 bis 2010 experiments from 2001 till 2010

lebenswissen- life Sciences – schaften – Biologie Biology

Die Schwerkraft bestimmt das leben Gravity controls life on earth. Virtually auf der erde� alle Vorgänge auf unserem all processes are influenced by the force Heimatplaneten laufen unter dem ein- of gravity. For this reason, its importance fluss von Gravitation ab� Deswegen lässt for many vital functions can be explored sich deren Bedeutung für viele Funktio- only in its absence. Scientists may then nen des lebens nur in der Schwerelosig- observe how cells and organisms respond keit erforschen� Dabei beobachten die to these conditions, and what course bio- Wissenschaftler, wie Zellen und organis- logical processes take. In earth’s normal men reagieren und wie biologische Vor- gravity, the roots of a plant will always gänge unter diesen Bedingungen ab- grow towards the planetary centre while laufen� Unter irdischen Schwerkraft- its shoots grow towards the light. how bedingungen wachsen Pflanzenwurzeln does it do that? how do living beings immer in Richtung erdmittelpunkt, Spros- develop or get their bearings in the sen dagegen zum licht� Wie gelingt absence of gravity? From experiments ihnen das? Wie orientieren oder entwi- in space, researchers draw conclusions ckeln sich lebewesen bei fehlender about the mechanisms by which organ- Schwerkraft? aus den Weltraumexperi- isms perceive gravity and respond to it. menten gewinnen die Forscher erkennt- Such insights are of great importance nisse über mechanismen, mit denen not only for basic research but also for organismen die Schwerkraft wahrneh- our handling of specific biotechnological men und und wie sie auf diese reagieren� processes. What is more, space experi- Diese erkenntnisse sind nicht nur für die ments help us to improve our knowledge Grundlagenforschung von großer Bedeu- about the origin, distribution, and evolu- tung� auch bei biotechnologischen Vor- tion of life. gängen macht man sie sich zunutze� Weltraumexperimente helfen zudem, DOSMAP die entstehung, Verbreitung und ent- The First Non-American Experiment wicklung des lebens besser zu verstehen� in Life Sciences on the ISS

DOSMAP Coordinator: Dr Günther Reitz, Erstes nicht-amerikanisches biowis- DlR Cologne senschaftliches Experiment auf der ISS The DoSMap experiment to measure the Koordination: Dr� Günther Reitz, radiation field marked the beginning of DlR Köln German life sciences research on the ISS. In a way, history was repeating itself: mit dem experiment DoSmaP zur mes- in 1972, the first German life sciences sung des Strahlenfelds begann für die experiment in space was concerned with deutsche Wissenschaft die biowissen- measuring radiation – BIoSTaCK on schaftliche Forschung auf der ISS� In apollo 16.

Since then, numerous passive and active radiation measuring devices (dosimeters) have been developed and refined for use in space. passive dosimeters supply radiation levels accumulated over time, whereas active ones measure current exposure rates. accumulated over many

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gewisser Weise wiederholte sich hier years, the expertise of the DlR’s Institute Geschichte: auch das erste deutsche bio- of aerospace Medicine played a crucial wissenschaftliche Weltraumexperiment role in these developments: a set of beschäftigte sich 1972 mit Strahlungs- dosimeters newly developed by the insti- messung – BIoStaCK auf apollo 16� tute and its national and international cooperation partners was sent to the ISS Seitdem wurden für die Raumfahrt viele on two shuttle flights in March and april passive und aktive Strahlungsmessgeräte 2001. Measurements were taken from (Dosimeter) entwickelt und verfeinert� March to august 2001, after which the Passive Dosimeter liefern einen über die data were evaluated on earth. Zeit summierten Wert der Strahlung� aktive messen aktuelle expositionsraten� The results that have become available Die langjährige expertise des Instituts für and have been published so far indicate luft- und Raumfahrtmedizin des DlR hat great differences in radiation exposure bei diesen entwicklungen eine entschei- at various locations in the US laboratory dende Rolle gespielt: Das vom Institut und and the harmony node, which may be seinen nationalen und internationalen explained by variations in shielding effec- Kooperationspartnern neu entwickelte tiveness. Moreover, radiation exposure Dosimeterset wurde mit zwei Shuttle- grows by around 30 per cent if the orbit- Flügen im märz und april 2001 zur ISS al height of the ISS is increased from 386 Astronaut James S� Voss baut die Appara- geschickt� Die messungen dauerten von to 404 kilometres. all in all, however, tur des Experiments DOSMAP (Dosimetric märz bis august 2001� nach deren ab- improved shielding has reduced radiation Mapping) in das Human Research Facility schluss begann die auswertung auf der exposure considerably below the level (HRF)-Rack im amerikanischen Labor erde� recorded on the shuttle missions of the DESTINY ein late 1990s or on the Russian MIR station. Astronaut James S. Voss installing the appa- Die inzwischen vorliegenden und bereits however, because the radiation field is ratus for the DOSMAP (dosimetric mapping) publizierten ergebnisse weisen auf große complex and changes over time, it was experiment in the Human Research Facility Unterschiede in der Strahlenbelastung an found that further continuous measure- (HRF) rack of the American DESTINY labora- verschiedenen Stellen des US-labors und ments would be needed. These began tory des Knotens 1 hin, was durch die unter- after the end of the DoSMap experi- schiedliche abschirmung erklärt werden ment, using different equipment. kann� Zudem nimmt die Strahlenbelas- tung bei einer Veränderung der Umlauf- bahn der ISS von 386 auf 404 Kilometer um rund 30 Prozent zu� Insgesamt ist die Strahlenbelastung wegen der besseren abschirmung aber deutlich geringer als bei den ende der neunzigerjahre durch- geführten Shuttle-missionen oder auf der russischen mIR-Station� Wegen der Kom- plexität des Strahlenfelds und seiner zeit- lichen Änderungen sind allerdings weitere kontinuierliche messungen notwendig, die nach ende des DoSmaP-experiments mit anderen Geräten in angriff genommen wurden�

39 CHROMOSOME CHROMOSOME Strahlenbelastung von Astronauten The Astronauts’ Exposure to Radiation Koordination: Prof� Günter obe; Dr� Christian Johannes, Universität essen Coordinators: prof. Günther obe; Dr Christian Johannes, essen University Die auswirkungen der Weltraumstrah- lung auf den menschen untersuchte die The effects of cosmic radiation on human experimentserie CHRomoSome und beings were examined in a series of CHRomoSome 2, die zwischen novem- experiments called ChRoMoSoMe and ber 2002 und april 2008 auf der ISS ChRoMoSoMe 2, which were run on durchgeführt wurde� the ISS between november 2002 and april 2008. Weltraumlangzeitaufenthalte können aufgrund der Strahlung zu erhöhten During long-term sojourns in space, radi- mutationsraten von Chromosomen füh- ation may increase the mutation rate of ren – ein Hinweis für ein erhöhtes Krebs- chromosomes, which ultimately implies risiko� mit Hilfe neuer, cytogenetischer an increased risk of developing cancer. Die Aufnahme zeigt eine komplexe Verände- rung der Chromosomen von Langzeitastro- methoden versuchten Forscher der Uni- With the aid of new cytogenetic meth- nauten� Besonders betroffen sind die Chro- versität essen, erkenntnisse über die erb- ods, researchers from essen University mosomen 3, 7, 12, 15 und das X-Chromosom� gutverändernde Strahlenbelastung von attempted to arrive at precise conclu- astronauten zu gewinnen� Hierzu wer- sions regarding the mutagenicity of radi- This image shows the complex changes in den die Chromosomen von peripheren ation in astronauts. To this end, they the chromosomes of long-term astronauts. Chromosomes 3, 7, 12, and 15 as well as the lymphocyten im Blut auf Veränderungen looked for changes in the chromosomes X-chromosome are particularly affected. untersucht� Diese methode wird inzwi- of peripheral lymphocytes in the blood- schen auch zur erfassung der mutage- stream. By now, this method is being nen Belastung durch Umweltgifte beim used to measure the mutagenic effect of menschen angewendet� Chromosomale environmental contaminants on humans. Veränderungen dienen so als „biologi- Thus, chromosomal changes serve as a scher Strahlungsmesser“� “biological dosimeter”.

Im Weltraum wurden die Untersuchun- In the space context, examinations of gen sowohl an den ISS-langzeitcrews als long-term ISS crew members were com- auch zum Vergleich an astronauten und pared to the results obtained from astro- Kosmonauten durchgeführt, die sich nauts and cosmonauts who had been während Shuttle- oder Sojus-Flügen nur on shuttle or Soyuz flights, remaining in für wenige tage bis zwei Wochen im space for brief periods ranging from a Weltraum aufgehalten hatten� Die ergeb- few days to two weeks. It was found nisse zeigten eine deutliche erhöhung that mutation rates increase notably only der mutationsrate nur für die langzeit- in long-term crew members. Members besatzungen� Bei den Kurzzeitcrews wur- of short-term crews showed no changes. den keine Veränderungen festgestellt� luckily enough, cells have an effective Zum Glück besitzen die Zellen einen repair mechanism, so that follow-up wirksamen Reparaturmechanismus, so- checks conducted a few months after dass bei Kontrolluntersuchungen wenige the end of a long-term mission found monate nach ende der langzeitmissio- no demonstrable chromosomal changes. nen keine Veränderungen an Chromoso- The results show that, while the field men mehr nachgewiesen werden konnten� of radiation in near-earth space does Die ergebnisse zeigen, dass das Strahlen- impose a certain stress on astronauts, their missions do not entail an indefensi- ble health hazard thanks to radiation protection and the effectiveness of bio-

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feld des erdnahen Weltraums zwar die logical repair mechanisms. however, astronauten belastet� Durch Strahlen- future long-range missions to the Moon schutzmaßnahmen und effektive biologi- or Mars will require shielding improve- sche Reparaturmechanismen führen die ments and the development of other missionen allerdings nicht zu einer unver- countermeasures. antwortbaren Gefährdung der Gesund- heit� Künftige langzeitmissionen zum EXPOSE-EuTEF mond oder mars erfordern jedoch auf- Experiments on the Origin of Life grund der starken Wirkung schwerer Ionen in der Weltraumstrahlung eine ver- Coordinators: Dr Gerda horneck; besserte abschirmung sowie die entwick- Dr Günther Reitz; Dr petra Rettberg, lung anderer Gegenmaßnahmen� all DlR Cologne; Dr Jean pierre paul de Vera, DlR Berlin-adlershof; prof. Donat- EXPOSE-EuTEF peter häder, erlangen University Experimente zur Entstehung des Lebens For radiation and astrobiologists, the launch of eXpoSe-euTeF (european Tech- Koordination: Dr� Gerda Horneck, nology exposure Facility) marked the Dr� Günther Reitz, Dr� Petra Rettberg, opening of a new chapter in their search Zurück auf der Erde: Die Probenträger von EXPOSE-EuTEF werden in Stickstoff- alle DlR Köln; Dr� Jean Pierre Paul de for knowledge about the origin and atmosphäre im DLR in Köln ausgebaut Vera, DlR Berlin-adlershof; Prof� Donat- spread of life. Together with ColUMBUS, Peter Häder, Universität erlangen the experiment was carried to the ISS Back on Earth: sample trays from EXPOSE- and installed on the station’s outer hull. EuTEF being removed under a nitrogen Für die Strahlen- und astrobiologen Two weeks later, eXpoSe-euTeF was atmosphere at DLR Cologne brach mit dem Start von eXPoSe-euteF activated by the Microgravity User Sup- (european technology exposure Facility) port Centre (MUSC) at DlR Cologne, ein neues Kapitel auf der Suche nach der flaps and valves were opened, and sam- entstehung und ausbreitung des lebens ples were exposed to the inhospitable an� Die anlage wurde gemeinsam mit conditions prevailing in space – extreme ColUmBUS zur ISS gebracht und an der temperature fluctuations, solar and short- außenhülle installiert� Zwei Wochen spä- wave UV radiation, and hard vacuum. ter wurde eXPoSe-euteF vom microgra- Some were confronted with a simulated vity User Support Centre (mUSC) im DlR Martian environment: a thin atmosphere in Köln aus aktiviert, Klappen und Ventile mainly consisting of carbon dioxide and geöffnet und die Proben den lebensfein d- a solar spectrum like that on the surface lichen Bedingungen des Weltraums – of Mars. at regular intervals, solar-irradi- extremen temperaturschwankungen, ation and temperature data measured Solar- und kurzwelliger UV-Strahlung, were transmitted to earth. Ultrahochvakuum – ausgesetzt� ein anderer teil wurde mit simulierten mars- For somewhat more than 18 months, bedingungen – dünne atmosphäre, the samples of the eight research groups hauptsächlich aus Kohlendioxid, solares travelled through space under DlR’s Spektrum wie auf der marsoberfläche – operational control until eXpoSe-euTeF konfrontiert� Regelmäßig wurden die ge - came back to earth on September 12, messenen Daten zur Sonneneinstrahlung 2009. Delivered to DlR Cologne, all und temperatur auf die erde gesendet� three trays were opened under an inert

Gut 18 monate reisten die Proben der acht Forschergruppen unter der operationellen Koordinierung des DlR im Welt- raum, ehe sie am 12� September 2009 mit eXPoSe-euteF wieder zur erde zurück- kehrten� alle drei einsätze wurden im DlR in Köln in empfang genommen und nitrogen atmosphere and their samples in Stickstoff-Schutzgasatmosphäre geöff- removed and returned to the participat- net� Die Proben wurden ausgebaut� Die ing international research groups, to be verschiedenen beteiligten internationalen check ed for changes caused by their Forschergruppen erhielten anschließend stay in space. organisms were examined ihre Proben zurück, um den effekt des for survivability and any damage to, or Weltraumaufenthalts zu untersuchen� Sie changes in, their genetic material. The überprüften die Überlebensfähigkeit der background to this research is formed by organismen und suchten nach Schäden the question of whether life necessarily oder Veränderungen des genetischen has originated on earth or may have materials� Hintergrund dieser Forschung been transported from planet to planet ist die Frage, ob leben auf der erde ent- on meteorites (panspermia hypothesis). standen sein muss oder durch meteori- Moreover, test results are supposed to ten von Planet zu Planet übertragen wer- show whether spaceships can be invaded den könnte (Panspermie-Hypothese)� Die by microorganisms that are able to sur- Versuchsergebnisse sollen auch zeigen, vive in them. Die Experimentanlage EXPOSE-EuTEF an ob mikroorganismen an Bord von Raum- der Außenseite des europäischen Labors schiffen zu anderen Planeten gebracht To facilitate comparison, the organisms COLUMBUS werden und dort überleben können� in these experiments came from very different environments and categories: View of the experiment platform on the out- Um Vergleiche anstellen zu können, a strain of blue-green algae that are side of the European COLUMBUS laboratory showing the EXPOSE-EuTEF experiment stammten die organismen bei diesen exposed to hard UV radiation on earth, a assembly experimenten aus sehr unterschiedlichen bacterium from an alpine salt dome, the Umgebungen und Kategorien: eine Blau- ubiquitous Bacillus subtilis (hay bacillus), alge, die auch auf der erde hoher UV- conidia (spores) of Trichoderma (filamen- Strahlung ausgesetzt ist, ein Bakterium tous fungi), and spores of three different aus einem alpinen Salzstock, der überall kinds of fern and lichen. lichen are sym- vorkommende Bacillus subtilis (Heubazil- biotic organisms formed by algae or lus), Konidien (Pilzsporen) von trichoder- blue-green algae (cyanobacteria) and ma (filamentöse Pilze) sowie Sporen von certain fungi. drei verschiedenen Farnarten und verschiedene Flechten� Flechten sind symbi- The results presented so far show otische organismen aus algen oder Blau- remarkable survivability in various organ- algen (Cyanobakterien) und bestimmten isms, not only in micro-organisms and Pilzen� spores. Xantoria elegans, the elegant sunburst lichen, proved itself particularly Bisher vorliegende ergebnisse zeigten resilient. But how does it cope with the eine bemerkenswerte Überlebensfähig- extreme conditions of space? Water keit verschiedener organismen – nicht instantly evaporates in the vacuum of nur von mikroorganismen und Sporen� space. To survive, organisms must be Die Flechte Xanthoria elegans (Zierliche able to withstand long periods of extreme Gelbflechte) erwies sich als besonders dryness – another riddle to be solved. hartnäckig� Doch wie arrangiert sie sich mit den extremsituationen im all? Im The panspermia hypothesis has not been Weltraumvakuum verdampft Wasser conclusively confirmed by these results. even if organisms are capable of surviv- ing a journey through space they will be confronted with extreme temperatures as they enter the earth’s atmosphere. Whether or not layers of dust or grit cov-

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sofort� Um überleben zu können, müs- ering the organisms can protect them sen die organismen lange Perioden in from heat will be investigated in future extremer trockenheit überstehen – ein experiments. weiteres Rätsel, das es zu lösen gilt� AT-SPACE and WAICO Die Panspermie-Hypothese ist durch Plant Genes and Gravity diese ergebnisse noch nicht endgültig bestätigt: Selbst wenn die organismen Coordinators: prof. Klaus palme, Freiburg die Reise durch den Weltraum überste- University; prof. Günther Scherer, hen, sind sie mit den extremen tempera- leibniz University hannover turen beim eintritt in die erdatmosphäre konfrontiert� ob eine Staub- oder Stein- plants depend on their ability to sense schicht, welche die organismen bedeckt, and respond to gravity: to anchor them vor der Hitze schützen kann, werden and supply them with nutrient salts and entsprechende Versuche zeigen� water, their roots must grow downward into the soil (positive gravitropism), AT-SPACE und WAICO whereas their shoots must grow upwards Auch in Schwerelosigkeit wachsen Wurzeln Pflanzliche Gene und Schwerkraft (negative gravitropism) so that their der Ackerschmalwand (a Wildtyp; b Mutante) leaves may be exposed to the light for spiralförmig und bohren sich so in die Erde Koordination: Prof� Klaus Palme, Univer- photosynthesis. Conducted by Freiburg Also in microgravity, roots of mouse-ear sität Freiburg; Prof� Günther Scherer, University in october 2007, the aT-SpaCe cress (a wildtyp, b mutant) grow in spirals, leibniz Universität Hannover experiment was intended to improve our drilling their way into the soil understanding of the various steps plants Für Pflanzen ist es wichtig, die Schwer- pass through in sensing and assimilating kraft wahrzunehmen und darauf zu gravity at the molecular level. WaICo, reagieren: Wurzeln müssen zur Veranke- which used the BIolaB of ColUMBUS rung und zur nährsalz- und Wasserauf- in two series of tests run in the spring of nahme in den Boden wachsen (positiver 2008 and 2010, investigated other phe- Gravitropismus), der Spross nach oben nomena that influence the orientation of (negativer Gravitropismus), um die Blät- root tips. one of these is the swinging ter für die Photosynthese zum licht zu movement of the tip which causes the bringen� Ziel des experiments at-SPaCe, root to grow in a spiral, drilling into the das im oktober 2007 von der Universität soil. Freiburg durchgeführt wurde, war ein besseres Verständnis der verschiedenen The object of study was that model plant Schritte bei der Wahrnehmung und of all geneticists, arabidopsis thaliana, or Verarbeitung von Schwerkraft bei Pflan- mouse-ear cress. Its brief life cycle, small zen auf molekularer ebene� WaICo, size, and relatively small genome make it das in zwei Versuchsserien jeweils im an ideal object of research in microgravity. Frühjahr 2008 und 2010 das BIolaB Thus, its entire genome can be analysed im ColUmBUS-labor nutzte, sollte auch on a single microchip, making it relatively noch andere Phänomene, die bei der ausrichtung der Wurzelspitze eine Rolle spielen, untersuchen� eines hiervon ist das Hin- und Herschwingen der Wurzel- spitze� Dadurch wächst die Wurzel spiral- förmig und bohrt sich in die erde�

Untersuchungsobjekt war die modell- pflanze der Genetiker arabidopsis thaliana, die ackerschmalwand� aufgrund ihres kurzen lebenszyklus, ihrer geringen Größe und des relativ kleinen Genoms eignet

43 sie sich ideal für Forschung in der Schwe- easy to compare gene expression in, for relosigkeit� So kann ihr gesamtes Genom example, growth under various gravity auf einem einzigen mikrochip analysiert conditions. Moreover, its genome resem- und damit die Genexpression beispiels- bles that of crops like soybean, cotton, weise nach Wachstum unter den ver- various vegetables, and oil plants. schiedenen Schwerkraftbedingungen relativ leicht verglichen werden� Zudem Tentative analyses show that micrograv- ähnelt ihr Genom dem von nutzpflanzen ity enhances the expression of many wie Sojabohne, Baumwolle und von ver- genes and inhibits that of others. at the schiedenen Gemüsesorten und Ölpflan- moment, scientists are working to identi- zen� fy these genes and attribute specific functions to them in order to obtain a erste analysen zeigen, dass die ausprä- comprehensive picture of the effects of gung vieler Gene in der Schwerelosigkeit gravity at the genetic level. Moreover, Ideal für die Forschung in Schwerelosigkeit: verstärkt, anderer aber auch gehemmt WaICo showed that, contrary to expec- die Ackerschmalwand (Foto: Marco Todesco/ ist� Die Wissenschaftler sind dabei, diese tations, the outer cells of roots develop Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie) zu identifizieren und sie bestimmten auf- their typical helical arrangement even in gabenbereichen zuzuordnen, um so zu microgravity. Molecular-biology analyses Ideal for research in microgravity: the mouse- ear cress (Picture: Marco Todesco/Max Planck einem umfassenden Bild der Schwer- indicate that the gravity-regulated trans- Institute for Developmental Biology) krafteffekte auf genetischer ebene zu port of auxin, a plant hormone, might gelangen� Bei WaICo zeigte sich zudem, be impaired. dass – anders als erwartet – die Wurzeln auch in der Schwerelosigkeit eine typi- XENOPUS sche schraubenförmige anordnung der Developmental Biology of Tadpoles äußeren Wurzelzellen entwickeln� mole- kularbiologische analysen deuten darauf Coordinator: prof. eberhard horn, hin, dass eine Störung des schwerkraftre- Ulm University gulierten transports des Pflanzenhor- mons auxin vorliegen könnte� In both humans and animals, staying for a time in an environment that is free XENOPUS from stimuli may have a detrimental Entwicklung von Kaulquappen effect on the development of the visual, auditory, haptic, or olfactory senses. Koordination: Prof� eberhard Horn, Moreover, there is a period of time in Universität Ulm which the absence of stimulation has a particularly harmful effect on sensory ein zeitweiliger aufenthalt in einer reiz- development. freien Umgebung bei mensch und tier kann sich nachteilig auf die entwicklung experiments in space were mounted to von Sinnesleistungen wie Sehen, Hören, see whether this age-dependent sensitivi- Fühlen oder Riechen auswirken� Dabei ty also occurs in the development of the gibt es eine Zeitspanne, in der ein Reiz- vestibular system. Scientists of Ulm Uni- entzug die Sinnesentwicklung besonders versity conducted four sets of experi- nachteilig prägt� ments in which tadpoles of the clawed frog were exposed to microgravity. In embryos and very young tadpoles, which began to develop their vestibular system during their stay in space, microgravity was found to have a marked effect on the development of swimming mechanisms and the vestibular-ocular reflex (VoR) – an eye movement triggered by tilting. The extent to which the VoR

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changed was found to depend on the Weltraumexperimente sollten zeigen, age of the tadpoles during their flight in ob diese altersabhängige empfindlichkeit space. In other words, there is a period auch bei der entwicklung des Gleichge- that is critical for the vestibular system. wichtssinns besteht� In vier experimentserien setzten Wissenschaftler der Universi- Whether these discoveries equally tät Ulm Kaulquappen des Krallenfroschs apply to human beings will have to be der Schwerelosigkeit aus� Bei embryonen explored in the future. To be sure, their und sehr jungen Kaulquappen, deren balance sensors do resemble those of entwicklung des Gleichgewichtssinns frogs, and they trigger identical eye während des Weltraumaufenthalts responses. begann, zeigten die experimente deutliche auswirkungen der Schwerelosigkeit Mistletoe Lectin and rRNA Das Experiment XENOPUS testete die Ent- wicklung des Gleichgewichtssinns bei Kaul- auf die entwicklung der Schwimmme- Crystallisation of Macromolecules quappen in Schwerelosigkeit chanismen und des Vestibulo-okulären Reflexes (VoR) – eine durch die Kippung Coordinators: prof. Volker a. erdmann, The XENOPUS experiment examined the des tieres ausgelöste augenbewegung� Free University of Berlin; prof. Christian development of the vestibular system in Das ausmaß der VoR-Änderungen war Betzel, hamburg University tadpoles exposed to microgravity vom alter der Kaulquappen während ihres Weltraumfluges abhängig� es gibt on october 7, 2009, the nobel prize also eine für die entwicklung des Gleich- Committee awarded the nobel prize gewichtssystems kritische Zeitspanne� for chemistry to ada Yonath, an Israeli, and two american colleagues for their ob diese erkenntnisse auf den menschen ground-breaking work on the structure übertragen werden können, muss noch and function of ribosomes. erforscht werden� allerdings ähneln dessen Gleichgewichtssensoren durchaus Mrs Yonath’s cooperation partners from denen des Froschs und lösen auch gleich- the German electron Synchrotron (DeSY) artige Reaktionen der augen aus� and the FU Berlin as well as other scientists pursued the subject further, making Mistel-Lectin und rRNA use of the ISS for their experiments in Kristallisation von Makromolekülen recent years.

Koordination: Prof� Volker a� erdmann, Freie Universität Berlin; Prof� Christian Betzel, Universität Hamburg am 7� oktober 2009 vergab das nobelpreis-Komitee den nobelpreis für Chemie an die Israelin ada Yonath sowie zwei amerikanische Kollegen für ihre bahnbre- chenden arbeiten zur Struktur und Funk- tion von Ribosomen�

45 Yonaths Kooperationspartner vom Deut- To facilitate analysing crystalline struc- schen elektronen Synchrotron (DeSY) und tures, the crystallisation of the substanc- von der FU Berlin haben – zusammen mit es under investigation should be as per- anderen Wissenschaftlern – diese thema- fect as possible. precise knowledge of tik weiterentwickelt und in den letzten such structures is a prerequisite for Jahren die ISS für ihre experimente understanding their properties and func- genutzt� tions in order to, for example, optimise the pharmaceutical application of a pro- Grundlage für die analyse von Kristall- tein. In the absence of sedimentation strukturen ist die möglichst perfekte Kris- and convection, i.e. the gravity-related tallisation der zu untersuchenden Sub- transport of liquids, crystallisation experi- stanzen� Genaue Kenntnis der Struktur ments in microgravity often produce ist Voraussetzung, ihre eigenschaften more regular crystalline structures. This, und Funktionen zu verstehen, um bei- in turn, permits identifying the structures spielsweise pharmazeutische anwendun- especially of larger molecules in greater gen eines bestimmten Proteins zu ver- detail. Intending to take advantage of bessern� aufgrund des Fehlens von this fact, German scientists completed Preisgekrönte Forschung: Am 7� Oktober Sedimentation und des gravitationsbe- a total of thirteen protein crystallisation 2009 nahm die Israelin Ada Yonath den dingten Flüssigkeitstransports führen projects on the ISS between 2002 and Nobelpreis für Chemie entgegen (Pontus Kristallisationsexperimente in der Schwe- 2009. Lundahl/epa/dpa) relosigkeit oft zu regelmäßigeren Struk- Prize-winning research: on October 7, 2009, turen im Kristall� Fortschritte in der and indeed, the structures of various Israeli Ada Yonath accepted the Nobel prize Strukturaufklärung gerade bei großen molecules are now better understood. for chemistry (Pontus Lundahl/epa/dpa) molekülen werden so möglich� Diesen In some cases, including certain bacterial Vorteil wollten sich auch deutsche Wis- surface proteins, crystallisation was suc- senschaftler zunutze machen und haben cessful for the first time. a working zwischen 2002 und 2009 insgesamt drei- group of hamburg University succeeded zehn deutsche Projekte zur Proteinkristal- in improving the structural analysis of lisation auf der ISS durchgeführt� mistletoe lectin and in explaining the chemical processes that go on. The key tatsächlich konnte man die Struktur- component of mistletoe extracts, mistle- aufklärung für verschiedene moleküle toe lectin, is used to strengthen the verbessern� In einigen Fällen wie bei immune system in the treatment of can- bestimmten oberflächenproteinen von cer. Together with parallel studies on the Bakterien gelang zum ersten mal eine ground, these experiments in space laid Kristallisation� eine arbeitsgruppe der the foundation for improving the phar- Universität Hamburg erreichte in ver- maceutical applications of this protein. schiedenen experimenten eine verbes- serte Strukturanalyse des mistel-lectins� Ribonucleic acids (Rna) form the link erstmalig konnten die chemischen abläu- between the genetic information encod- fe erklärt werden� Das mistel-lectin ist ed in the Dna and its expression in pro- die Hauptkomponente in den extrakten teins. In experiments run on the ISS in der mistel und wird zur Stärkung des 2002, scientists from Berlin TU who were Immunsystems bei der Krebstherapie ein- collaborating with the noXXon aG gesetzt� mit den Weltraumexperimenten pharmaceutical company succeeded in crystallising mirror Rna molecules for the first time. The advantage of these nucleic acids lies in their great durability in human blood, which makes them ideal for com- bating tumours or viral diseases such as aIDS. The experiments were mainly concerned with the exact arrangement of water molecules within the helix and in

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und den begleitenden Untersuchungen its environment which is important for am Boden wurden die Grundlagen preserving the three-dimensional struc- gelegt, die pharmazeutischen anwen- ture of the Rna. The 5S rRna model dungen dieses Proteins zu verbessern� developed as part of these experiments opens up new insights into the interac- Ribonucleinsäuren (Rna) sind das Binde- tion between antibiotics and ribosomal glied zwischen der genetischen Informa- Rnas, enabling the design of more effec- tion der Dna und dem aufbau der Pro- tive agents. teine� In Versuchen auf der ISS im Jahre 2002 kristallisierten Wissenschaftler der late in 2008 and in october 2009, the tU Berlin in Zusammenarbeit mit der Berlin scientists ran further experiments Pharmafirma noXXon aG zum ersten which are still being analysed. Ultimately, mal spiegelbildliche Rna-moleküle, die they expect structural analyses of Rna im menschlichen Blut besonders bestän- samples to improve our understanding of dig sind� Dadurch erscheinen sie beson- the functions of ribosomes. In a manner ders geeignet, tumore oder virale erkran- of speaking, this marks a return to the kungen wie aIDS wirksam zu bekämpfen� starting point, for it was the very same Bei den experimenten ging es vor allem Berlin scientists who, together with the Kristalle des Proteins Mistel-Lectin I (JAXA) um die exakte anordnung von Wasser- nobel prize winner, ada Yonath, laid the molekülen innerhalb der Helix und in foundations for the exploration of the Crystals of the protein misletoe lectin I deren Umgebung, die für den erhalt der structure of ribosomes more than 20 (JAXA) räumlichen Rna-Struktur wichtig sind� years ago. Das aus diesen experimenten gewonne- ne modell der 5S rRna eröffnet neue einsichten in die Interaktion von antibio- tika mit ribosomalen Rna und ermöglicht das Design effektiverer Wirkstoffe�

Weitere experimente wurden von den Berliner Wissenschaftlern ende 2008 und ende 2009 durchgeführt� Die Wissen- schaftler erwarten, dass die Strukturana- lyse der Rna-Proben zu einem besseren Verständnis der Ribosomenfunktion bei- trägt� Damit schließt sich gewissermaßen der Kreis, haben doch dieselben Berliner Wissenschaftler vor mehr als 20 Jahren gemeinsam mit der nobelpreisträgerin Prof� ada Yonath die Grundlagen für die erforschung der Struktur der Ribosomen geschaffen�

47 lebenswissen- life Sciences – schaften – Raum- Space Medicine fahrtmedizin Research in microgravity is of particular interest in medicine. Within a few weeks, Die Forschung in der Schwerelosigkeit astronauts in space undergo physical ist von besonderem Interesse für die changes that closely resemble those medizin� Innerhalb weniger Wochen caused by the process of ageing in the unterliegen astronauten im all körperli- human body. In a manner of speaking, chen Veränderungen, die mit dem alte- this permits us to study in double-quick rungsprozess des menschen sehr gut ver- time processes that normally extend over Experimente auf der ISS untersuchen auch gleichbar sind� Dadurch können wir im half a lifespan. Moreover, the changes den Knochenstoffwechsel� Im All baut sich Zeitraffer studieren, was sonst ein halbes experienced by astronauts are reversible, die Knochenmasse stärker ab als auf der Erde leben dauert� Darüber hinaus sind die so that their re-adaptation to gravity on und lässt die Knochen osteoporotisch Veränderungen beim astronauten rever- earth can be studied as well. erscheinen (links: gesunder Knochen; rechts: osteoporotischer Knochen)� (Frank Geisler/ sibel, sodass auch die Rückanpassung an dpa) die Schwerkraft auf der erde untersucht What astronauts are experiencing on werden kann� board the ISS has changed our knowl- Experiments on ISS also study the metabo- edge of the human body. especially the lism of bones. Under the conditions of micro- Was die astronauten an Bord der ISS interplay between the muscle, bone, car- gravity, the mass of bones is reduced and diovascular, equilibrium, and immune makes the bone structure comparable to erfahren, verändert unser Wissen um osteoporosis (left: healthy bone; right: oste- den menschlichen Körper� Vor allem das systems appears in a different light. Such oporosis). (Frank Geisler/dpa) Zusammenspiel der verschiedenen Syste- knowledge can be brought to bear on me wie muskeln, Knochen, Herz-Kreis- the diagnosis and therapy of the sick, lauf-, Gleichgewichts- und Immunsystem but it also helps to maintain the health erscheint in einem neuen licht� Dieses and vitality of people in an ageing socie- Wissen fließt zum einen in die Diagnostik ty. Thus, research under space conditions und therapie kranker menschen ein, has already brought forth new forms trägt zum anderen aber auch zur erhal- of physical exercise, new therapies for tung von Gesundheit und leistungsfähig- the treatment of osteoporosis, and new keit des menschen in einer alternden instruments to measure intraocular pres- Gesellschaft bei� So führte Forschung sure and track the movements of the unter Weltraumbedingungen bereits zu eye, the latter being used, for example, neuen trainingsmethoden, zu therapien in the analysis of strabismus. für die Behandlung von osteoporose oder zu Instrumenten zur messung des augen- ETD innendrucks und der augenbewegun- Human Orientation in Space gen, beispielsweise bei der Schielanalyse� Coordinator: prof. andrew Clarke, Charité Berlin

What was probably the most extensive German experiment yet concluded in space medicine was concerned with motion sickness, also known as kinetosis. Related problems include a variety of symptoms such as paleness, cold sweat, nausea, and vomiting. In addition, many people feel lethargic and tired. as these phenomena frequently occur on ship-

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ETD board journeys, they are also known as Orientierung des Menschen im Raum sea or travel sickness. In astronauts, who suffer from the same symptoms because Koordination: Prof� andrew Clarke, of the change in gravity, this is called Charité Berlin space sickness.

Das wohl umfangreichste abgeschlossene Kinetosis is caused by a sensory conflict, deutsche experiment der Raumfahrtme- a “competition” between two different dizin befasste sich mit der Bewegungs- body systems. on the one hand, there is krankheit – auch Kinetose genannt� Die the sense of balance. on the other, there auftretenden Probleme bestehen aus is the optical system. If these two systems einer Reihe von Symptomen, wie etwa provide us with conflicting information, a Hautblässe, kalter Schweißausbruch, sensory conflict may result. In microgravity, Übelkeit und erbrechen� Zusätzlich stellt for example, the information communi- sich oft ein Gefühl von lethargie und cated by our optical system is perfectly müdigkeit ein� Diese Phänomene treten normal, whereas the vestibular system häufig bei Schiffsreisen auf und werden receives no stimulus from our habitual daher auch als See- oder Reisekrankheit orientation of the head’s position relative Der russische Kosmonaut Sergey Krikalev führte ein Experiment mit dem Eye Tracking bezeichnet� treten bei astronauten die to the direction of gravity. Device durch� Das wohl umfangreichste gleichen Symptome aufgrund von verän- abgeschlossene deutsche Experiment der derten Schwerkraftbedingungen auf, In clinical diagnosis, the vestibular system Raumfahrtmedizin befasste sich mit der spricht man von Raumkrankheit� is often examined by measuring eye move- Bewegungskrankheit – auch Kinetose ments. For this purpose, the 3-D eTD genannt� Ursache für die Kinetose ist ein sensori- (eye Tracking Device) was developed for Russian cosmonaut Sergey Krikalev experi- scher Konflikt, bei dem vorwiegend zwei use on the ISS. menting with the eye tracking device. What verschiedene Systeme des Körpers „kon- is arguably the most extensive space medi- kurrieren” – einerseits der Gleichgewichts- a series of related experiments was begun cine experiment ever completed by Germany sinn, andererseits das optische System� in april 2004. no more than a few weeks investigated motion sickness, also known as kinetosis. liefern uns die beiden Systeme wider- later, the first measurements had been sprüchliche Informationen, kann es zu evaluated, showing that listing’s plane einem sensorischen Konflikt kommen� changes with the gravitational environ- Das optische System übermittelt bei- ment. Confirmed by examinations of other spielsweise in der Schwerelosigkeit die cosmonauts who volunteered as subjects üblichen Informationen, während das until the middle of 2008, this finding is Gleichgewichtsorgan keine Reizung über consistent with the results obtained on unsere gewohnte ausrichtung des Kop- parabolic flights. When the eye moves fes zur Schwerkraft erfährt� rapidly, listing’s plane is where all axes of rotation are situated – an internal Die Untersuchung des Gleichgewichtssys- coordinate system for the optical system. tems erfolgt in der klinischen Diagnose When gravity returns, the systems will oft mittels der messungen der augenbe- re-adapt after some time. wegungen� Für den einsatz auf der ISS wurde hierzu das 3D-etD (eye tracking The results do suggest that gravity influ- Device) entwickelt� ences not only the vestibular system but also the control of eye movements and Die experimentserie begann im april 2004� thus the very process of seeing. Moreo- Bereits wenige Wochen später zeigte die ver, gravity affects the coordination of auswertung der ersten messungen, dass the interaction between the vestibular sich die sogenannte listingsche ebene in and the eye motor system within the abhängigkeit von den Schwerkraftbedin- gungen ändert� Dieser Befund bestätigte sich bei weiteren Kosmonauten, die sich

49 bis mitte 2008 für Versuche zur Verfügung central nervous system. The results con- stellten und passt auch zu ergebnissen firm that gravity is indeed the key refer- aus Parabelflügen� In dieser listingschen ence factor for our orientation in space. ebene liegen bei raschen augenbewegungen alle Drehachsen des auges – ein By now, various commercial variants of internes Koordinatensystem für das opti- the eye tracking device are being mar- sche System� In der Schwerkraft gleichen keted successfully by two spin-off com- sich die Systeme nach längerer Zeit wie- panies located in Berlin. applications der an� range from process control in corneal laser ablations to treat myopia to the Die ergebnisse legen nahe, dass nicht nur diagnosis of a multitude of neurological das Gleichgewichtssystem, sondern auch complaints, including vertigo. Research die Steuerung der augenbewegung – into the effectiveness of advertising uses und damit der Sehvorgang selbst – durch the technology to track the head and Eye Tracking kommt auf der Erde zum Bei- die Schwerkraft beeinflusst wird� Zudem eye movements of test subjects, and it spiel in der Augenlaser-Chirurgie zum Einsatz ist die Wechselwirkung im zentralen ner- is also used to identify fatigue in bus (Chronos Visions) vensystem zwischen dem Gleichge- and lorry drivers. On Earth, eye tracking is used, for example, wichtssystem und der augenmotorik in the case of ophthalmologic surgery weniger koordiniert� Die ergebnisse PMDIS/TRAC (Chronos Visions) bestätigen die Schwerkraft als maßgebli- Adaptation Processes in che Bezugsgröße für unsere räumliche Motor Coordination orientierung� Coordinator: prof. otmar Bock, Inzwischen wird das eye tracking Device DShS Cologne in verschiedenen kommerziellen anwendungen von zwei Unternehmensgrün- When German astronaut Thomas Reiter dungen in Berlin erfolgreich vermarktet� returned from the astrolab mission, the Die einsatzfelder reichen von der Ver- event marked the beginning of the Ger- laufskontrolle bei der laser-Hornhautab- man-Canadian pMDIS/TRaC experiment tragung zur Behandlung von Kurzsichtig- (perceptual Motor Deficits in Space/Test keit bis zur Diagnose einer Vielzahl von of Reaction and adaptation Capabilities). neurologischen erkrankungen – zum Bei- pMDIS/TRaC was a project implemented spiel von Schwindel� auch zur Verfolgung jointly by the German Sports University der Kopf- und augenbewegung von Pro- of Cologne (DShS) and the York Univer- banden bei der Werbewirkungsforschung sity of Toronto, with naSa participating. und zur Feststellung der müdigkeit von DlR essentially supported the develop- lkw- und Busfahrern wird diese techno- ment of the experiment rig by the Ger- logie eingesetzt� man space industry as well as the Sports University’s research. Canada, an ISS partner state, provided the requisite resources.

pMDIS/TRaC was intended to analyse motor coordination specifically during the processes of adaptation to microgravity in space and to gravity on earth. Medical researchers at the Cologne Uni- versity investigated changes in the manual dexterity of astronauts in the course of a space mission. Further tests were

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PMDIS/TRAC concerned with measuring the alertness Anpassungsprozesse der of spatial perceptivity and other cognitive Bewegungskoordination functions.

Koordination: Prof� otmar Bock, The experiment was built on earlier DSHS Köln research results of the aforementioned working groups. During the neurolab Die Rückkehr des deutschen astronauten Spacelab mission in 1998 as well as on thomas Reiter nach der astrolab-mission subsequent parabolic flights, scientists markierte gleichzeitig den Beginn des had found that subjects in microgravity deutsch-kanadischen experiments PmDIS/ employed more computing power in their tRaC (Perceptual motor Deficits in Space/ brains to solve a problem than they would test of Reaction and adaptation Capabili- have required to achieve results of com- ties)� PmDIS/tRaC war ein gemeinsames parable quality in normal gravity. These Projekt der Deutschen Sporthochschule findings did not apply to long-term astro- Köln (DSHS) und der York-University nauts: their fine motor skills remained Astronautin Sunita Williams testet während toronto unter Beteiligung der naSa� Das impaired for prolonged periods in micro- des Experiments PMDIS/TRAC die Koordination ihrer Bewegungen während der Anpassung an DlR hat im Wesentlichen die entwicklung gravity and took a long time to return die Schwerelosigkeit der experimentanlage durch die deutsche to normal. Raumfahrtindustrie sowie die Forschung Astronaut Sunita Williams testing her motor an der Sporthochschule unterstützt� Kana- The results of these experiments are not coordination during adaptation to microgravity da stellte als ISS-Partner die notwendigen only important for planning future crewed under the PMDIS/TRAC experiment Ressourcen bereit� space missions, they also improve our understanding of motor control in general. Beim experiment PmDIS/tRaC sollte die Motor learning has recently become a Koordination von Bewegungen insbeson- much-investigated subject in neuroscien- dere während der anpassungsprozesse tific research, not least in the light of our an die Schwerelosigkeit und nach der ageing society. Rückkehr zur erde analysiert werden� Im Detail untersuchen Kölner Sportmediziner, wie sich die manuelle Geschicklichkeit von astronauten im laufe einer Weltraum- mission verändert� Weitere tests maßen die aufmerksamkeit des räumlichen Wahr- nehmungsvermögens und anderer kogni- tiver Funktionen�

Das experiment baut auf früheren For- schungsergebnissen dieser arbeitsgruppen auf� Während der Spacelab-mission neurolab im Jahre 1998 und auf späteren Parabelflügen hatten die Wissenschaftler herausgefunden, dass Versuchspersonen in Schwerelosigkeit für die lösung einer aufgabe mehr Rechenkapazität im Gehirn zur Verfügung stellen, um vergleichbar gute ergebnisse wie unter normalen Schwerkraftbedingungen zu erzielen� Für langzeitastronauten gelten diese ergebnisse nicht: Bei ihnen war die Feinmotorik über einen längeren Zeitraum beeinträch- tigt und normalisierte sich in Schwere- losigkeit nur langsam�

51 Die ergebnisse aus diesen experimenten sind nicht nur für die Planung künftiger physics bemannter Weltraummissionen von Bedeutung� Sie tragen auch zum besse- Because microgravity affects the follow- ren Verständnis der Bewegungskontrolle ing physical processes, experiments in bei� Generell ist das thema „motorisches space may yield fundamental discover- lernen“ – nicht zuletzt vor dem Hinter- ies that remain hidden to us on earth: grund einer alternden Gesellschaft – liquids are no longer subject to buoy- derzeit ein intensiv untersuchtes Feld ancy convection, hydrostatic pressure, der neurowissenschaftlichen Forschung� or sedimentation. at elevated temperatures, liquids expand, their density decreases, and they flow “upwards” in normal gravity. as con vection does not Physik operate in microgravity, theoretical con- mit experimenten im Weltraum lassen cepts of transport processes in liquids and sich grundlegende erkenntnisse gewin- gases may be put to the test in space. nen, die uns auf der erde verborgen blei- Thus, only two-dimensional plasma crys- ben, da die Schwerelosigkeit auswirkun- tals can be generated in normal gravity. gen auf die folgenden physikalischen In microgravity, on the other hand, Prozesse hat: In Flüssigkeiten entfallen three-dimensional crystals can be created die auftriebskonvektion, der hydrostati- and examined. practical appli cations sche Druck und die Sedimentation� Unter such as coatings for electronic micro- erhöhter temperatur dehnen sich flüssi- chips are emerging. Moreover, micro- ge Stoffe aus, ihre Dichte nimmt ab und gravity permits exploring certain quan- bei normalgravitation strömen sie nach tum phenomena, such as the be haviour „oben“� Der Wegfall dieser auftriebs- of matter at absolute zero, or studying konvektion in Schwerelosigkeit ermög- the early phases of planetary develop- licht zum Beispiel, theoretische Vorstel- ment. lungen von transportprozessen in Flüssigkeiten und Gasen zu überprüfen� PKE Plasmakristalle kann man unter Gravita- Phase Transitions in Plasma Crystals tion lediglich zweidimensional erzeugen� nur unter der Schwerelosigkeit können Coordinators: prof. Gregor eugen Morfill, dreidimensionale Kristalle hergestellt Mpe Garching; Dr Vladimir Molotkov, und untersucht werden� Praktische RaS Moscow anwendungen, etwa zur Beschichtung von elektronischen mikrochips, zeichnen Begun in March 2001, the first scientific sich hier ab� Schwerelosigkeit ermöglicht experiment on the ISS was a series of auch die erkundung von Quantenphäno- tests to explore complex plasmas which menen – etwa das Verhalten von materie continues to this day. The plasma crystal am temperaturnullpunkt – oder die experiment (pCe) and its related research erforschung der Planetenentstehung� programme were implemented jointly by the Max p lanck Institute for extraterrestrial physics (Mpe) in Garching and the Institute of high energy Densities in Mos- cow. This German-Russian cooperation

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PKE project was realised on the pK-3 experi- Phasenübergänge in Plasmakristallen mental facility with the support of the first permanent crew. In the autumn of Koordination: Prof� Gregor eugen morfill, 2001, the programme was expanded mPe Garching; Dr� Vladimir molotkov, under the participation of French scien- RadW moskau ticsts into a trilateral undertaking. at all, 13 experimental campaigns were run als erstes wissenschaftliches experiment until end of 2005. auf der ISS begann im märz 2001 eine sich bis heute erstreckende experiment- Commissioned by DlR, the pK-3 experi- serie zur erforschung komplexer Plasmen� mental facility was developed in Germa- Das max-Planck-Institut für extraterrestri- ny. The Russian project partner, energya/ sche Physik (mPe) in Garching und das Rosaviakosmos, transported it to the ISS, Institut für Hochenergiedichten in mos- securely stowed it in the airlock between kau führten gemeinsam das Plasma- the Zarya and Zvezda modules, and Kristall-experiment (PKe) sowie das dazu- delivered all other resources required to gehörige Forschungs programm in der operate the facility, including the shut- experimentieranlage PK-3 durch� Dieses tling of system components between ESA-Astronaut Thomas Reiter arbeitet an der Plasmakristall-Apparatur PK-3 im Swesda- deutsch-russische Kooperationsprojekt earth and orbit. Modul wurde mit Unterstützung der ersten permanenten Crew realisiert� Das experi- a complex plasma consists of a low-tem- ESA astronaut Thomas Reiter working on the mentalprogramm wurde im Herbst 2001 perature plasma – an electrically charged PK-3 plasma crystal apparatus in the Zvezda durch Beteiligung französischer Wissen- gas incorporating free electrons and ions, module schaftler trilateral erweitert� Bis ende 2005 comparable to the fluorescent gas in a wurden insgesamt 13 experimentläufe neon tube – and small particles (“dust”) absolviert� measuring between 1 and 20 microme- tres. The particles are electrostatically Die experimentieranlage „PK-3“ wurde charged in the gas and begin to interact im auftrag des DlR in Deutschland entwickelt� Der russische Partner energya/ Rosaviakosmos transportierte sie zur ISS, stellte die Unterbringung in der luftschleuse zwischen den Raumstationsmo- dulen Sarja und Swesda sicher und lieferte alle weiteren Ressourcen zum Betrieb der anlage einschließlich des transports von anlagenkomponenten zwischen erde und orbit� ein komplexes Plasma besteht aus einem niedertemperaturplasma – einem elek- trisch geladenen Gas mit freien elektronen und Ionen, wie etwa das leucht- mittel in einer leuchtstoffröhre – und kleinen Partikeln („Staub“) von 1 bis 20 mikrometer Größe� Die Partikel werden in dem Gas elektrostatisch aufgeladen und treten miteinander in Wechselwir- kung� abhängig von den experimentbe- dingungen – variiert werden das plasma- erzeugende elektrische Feld und der Gasdruck – verändert ein solches komplexes Plasma seine Struktur und verhält

53 sich wie eine Flüssigkeit, ein Gas oder with it, with the two reaction partners mit dreidimensionaler regelmäßiger behaving like a substance. Depending on anordnung der Partikel wie ein metalli- the experimental parameters – variables scher Kristall� Diese geordnete Struktur include the electrical field which gener- bezeichnet man auch als „Plasmakristall“� ates the plasma and the pressure of the Sie konnte erstmals 1994 experimentell gas – such a complex plasma will change nachgewiesen werden� its structure, behaving like a liquid, a gas or, if particles are regularly arranged in Für ein gewöhnliches Plasma ist die three dimensions, a metallic crystal. Such Schwerkraft von untergeordneter Bedeu- an ordered structure is also known as a tung� ein komplexes Plasma reagiert ‘plasma crystal’. It was first demonstrated jedoch aufgrund der hundert milliarden experimentally in 1994. mal größeren masse der eingebrachten mikropartikel im Vergleich zu elektronen For an ordinary plasma, gravity is not an und Ionen sehr empfindlich auf die important force. Because the mass of the Schwerkraft: Die Partikel sinken ab und incorporated microparticles is a hundred stauchen das komplexe Plasma in Rich- billion times greater than that of the Kosmonaut Sergey Krikalev mit dem Plasma- tung der Schwerkraft� Daher ist ein Plas- electrons and ions, a complex plasma kristall-Experimentcontainer an Bord der Internationalen Raumstation makristall auf nur wenige Gitterebenen responds to gravity in a highly sensitive begrenzt� way: particles sink downward, compress- Cosmonaut Sergey Krikalev with the Plasma ing the complex plasma in the direction Crystal Experiment container onboard the nur unter Schwerelosigkeit können of gravity. For this reason, a plasma crys- International Space Station große dreidimensionale Strukturen unge- tal is limited to a few lattice levels. stört kreiert und erforscht werden� Hier- bei interessieren sich die Wissenschaftler only in microgravity may large three- einerseits für die physikalischen eigen- dimensional structures be created and schaften des komplexen Plasmas� ande- researched without interference. on the rerseits dient es wegen seines Verhaltens one hand, scientists are interested in the als modell für „normale“ materialien, da physical properties of complex plasmas. strukturelle Veränderungen von „atom on the other, they serve as models for “normal” materials because of their behaviour, which enables structural changes to be observed ‘from atom to atom’. Thus, researchers want to find out how waves propagate, how liquids

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zu atom“ beobachtet werden können� mix, how a vortex develops in a liquid, So interessieren sich die Forscher dafür, or how a crystal melts. Besides, they are wie sich Wellen ausbreiten, wie sich paying particular attention to the transi- Flüssigkeiten mischen, wie ein Flüssig- tion from the liquid to the gaseous state keitswirbel entsteht oder wie ein Kristall as well as to the critical point at which schmilzt� Besondere aufmerksamkeit the difference between liquid and gas widmen sie dem Übergang von flüssig vanishes. zu gasförmig und dem kritischen Punkt, an dem der Unterschied zwischen Flüs- Complex plasmas abound in nature. They sigkeit und Gas verschwindet� are found in interstellar molecular clouds, planetary ring systems like that of Sat- Komplexe Plasmen sind in der natur urn, and the tails of comets. In plasma weit verbreitet� Sie treten in interstellaren technology, they frequently appear as Der Astronaut Thomas Reiter trainierte in molekülwolken, planetaren Ringsystemen contaminants. There are signs of future Moskau, begleitet von Wissenschaftlern des MPE und des russischen RAW, an dem Trai- wie bei Saturn oder in Kometenschwei- practical applications emerging for com- ningsmodell von PK-3 Plus fen auf� In der Plasmatechnologie sind plex plasmas as, for example, coatings sie häufig als störende Verunreinigungen for electronic microchips and in the man- In company of scientists of the MPI and the anzutreffen� Für komplexe Plasmen zeich- ufacture of solar cells and flat screens. Russian RAW, the German astronaut Thomas nen sich langfristig auch praktische an - Reiter underwent a PK-3 training programme in Moscow wendungen ab, etwa zur Beschichtung Textbook information about the strength von elektronischen mikrochips, bei der of the forces acting in a plasma had to Fertigung von Solarzellen und Flachbild- be revised once the pK-3 data came to schirmen� hand. Moreover, it was discovered that complex plasmas will form sharply- Vorhandenes lehrbuchwissen über die defined boundary layers so far known Stärke der in einem Plasma wirkenden only from interactions between a plasma Kräfte musste aufgrund der mit PK-3 and a solid wall. In targeted experiments, gewonnenen Daten revidiert werden� researchers succeeded in tracking down entdeckt wurde zudem die ausbildung a dust-particle contamination effect einer scharfen Grenzschicht im komple- known from terrestrial plasma technology. xen Plasma, die bisher nur bei Plasma- Wechselwirkungen mit festen Wänden bekannt war� Dabei ist es durch gezielte Versuche gelungen, einem in der terres- trischen Plasmatechnologie bekannten Verunreinigungseffekt durch Staubparti- kel auf die Spur zu kommen�

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Mit seinen hochmodernen Anlagen With its leading-edge equipment for zur Forschung in Biologie, Medizin research in biology, medicine, and und Fluidphysik sowie den extern fluid physics and its range of exter- angebrachten Geräten für die Astro- nally-installed devices for astrobiol- biologie, Solarforschung und Techno- ogy, solar and technology research, logie steht COLUMBUS als Europas COLUMBUS will be available in the Labor im All für die nächsten Jahre next few years for top-flight research der Spitzenforschung unter Welt- under space conditions as Europe’s raumbedingungen zur Verfügung� “laboratory in space”. In all this, Ger- Deutsche Forschungsprojekte werden man scientists will continue to play dabei auch in der Zukunft eine her- an eminent part in the future. The ausragende Rolle spielen� Im Folgen- following is a description of German den sind Projekte deutscher Wissen- scientific projects that are either schaftler näher beschrieben, die ongoing (March 2011) on the ISS DOSIS misst die Strahlenbelastung der Astro- derzeit (Stand März 2011) auf der or will be implemented soon. nauten an zehn verschiedenen Stellen im ISS durchgeführt werden oder in COLUMBUS-Labor Kürze beginnen� DOSIS measures the astronauts’ radiation life Sciences – exposure in ten different locations in the COLUMBUS laboratory lebenswissen- Biology schaften – Biologie previously completed biological experiments addressed the radiation exposure- abgeschlossene biologische experimente of the astronauts on board the ISS, the beschäftigten sich mit der Strahlenbelas- ability of biological specimens to resist tung der astronauten an Bord der ISS, the extreme conditions of space, protein mit der Fähigkeit von organismen, den crystallisation, perception of and response extremen Bedingungen des Weltraums of organisms to gravity as well as space zu widerstehen, mit Proteinkristallisation, medicine aspects. Current or recently mit der Wahrnehmung und Verarbeitung selected experiments partially continue von Schwerkraft sowie mit raumfahrtme- this approach or pursue new concepts dizinischen Fragestellungen� laufende to investigate, for example, the interplay oder in Kürze beginnende experimente of the various systems of the human führen diese fort oder verfolgen neue body and their long-term changes in Konzepte� Dabei wird das Zusammen- microgravity, i.e. integrative physiology spiel der verschiedenen Systeme des at its best. menschlichen Körpers und ihre langzeit- Veränderungen in der Schwerelosigkeit DOSIS in den mittelpunkt gestellt, also integrati- Another Experiment on ve Physiologie im besten Sinne betrieben� Radiation Exposure

DOSIS Coordinator: Dr Günther Reitz, Weiteres Experiment zur DlR Cologne Strahlenbelastung The radiation exposure of astronauts Koordination: Dr� Günther Reitz, on board the ISS was in the focus of DlR Köln DoSMap, the first biological experiment on the space station. It is the key concern Die Strahlenbelastung der astronauten of DoSIS to establish individual levels to an Bord der ISS stand schon im Fokus which astronauts can be exposed without endangering their health. In May 2009, the apparatus for measuring radiation exposure was transported to the

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von DoSmaP – dem ersten biologischen space station, to be installed by the euro- experiment auf der ISS� Die Bestimmung pean astronaut Frank de Winne. Detec- der individuellen Dosierung zum Schutz tors were mounted in a total of ten dif- der Gesundheit der astronauten ist zen- ferent locations within ColUMBUS in trales anliegen von DoSIS� Im mai 2009 order to obtain a complete picture of the wurde die apparatur zur messung der way in which radiation is distributed in Strahlenbelastung zur Raumstation ge - the space laboratory. next, the data will bracht und von dem europäischen astro- be compared to those measured by iden- nauten Frank de Winne installiert� an tical detectors in the eXpoSe-euTeF facil- insgesamt zehn verschiedenen Stellen ity, which were returned to earth on innerhalb von ColUmBUS wurden die shuttle flight STS-128. Detektoren angebracht, um ein möglichst komplettes Bild über die Verteilung der While measurements are still going on, Strahlenbelastung innerhalb des Welt- the first data became available for evalu- raumlabors zu erhalten� Diese Daten sol- ation as early as august 2009. By pool- len anschließend mit denen verglichen ing these with data gathered in other werden, die mit baugleichen Detektoren modules of the space station by interna- in der außenanlage eXPoSe-euteF ge - tional partners, it is intended to develop messen und zur erde zurückgebracht a description of the radiation field in the wurden� entire space station.

Während weitere messungen laufen, MATROSHKA standen bereits im august 2009 erste A ”Phantom“ on Permanent Duty Daten zur auswertung zur Verfügung� Zusammen mit den messdaten in anderen Coordinator: Dr Günther Reitz, Die Weltraumpuppe MATROSHKA misst die modulen der Raumstation – entnommen DlR Cologne Strahlenbelastung: ohne „Kleidung“ als dem Menschen nachempfundener Oberkörper; durch die internationalen Partner – soll so gekleidet in Poncho und Kappe; eingehüllt in eine Beschreibung des Strahlenfelds in der From February 2004 to august 2005, a einen Behälter aus Kohlefaser zur Simulation gesamten Raumstation erstellt werden� “phantom” haunted the outer wall of the der Schutzwirkung des Raumanzugs; überzo- ISS and since then itis paying company gen mit thermischer Isolierung MATROSHKA to the station’s crew and is involved The space dummy MATROSHKA measures Ein „Phantom“ im Dauereinsatz in experiments for measuringradiation the strength and composition of cosmic radi- exposure inside and outside the ISS. ation: without “clothes” as a human remake Koordination: Dr� Günther Reitz, MaTRoShKa is the name of this special body; clothed in poncho and cap; covered in DlR Köln dummy, developed and built by the DlR a case of carbon fibre to simulate the safety of a spacesuit; coated with thermal insula- Institute of aerospace Medicine. tion Von Februar 2004 bis august 2005 befand sich ein „Phantom“ an der außen- Consisting of a head and upper body, wand der ISS, das seither der Besatzung the phantom dummy resembles a human in der Station Gesellschaft leistet und in torso. Inside it, active and passive radia- experimente eingebunden ist� Hierbei tion detectors are distributed over more handelt es sich um ein experiment zur than 1,600 locations, including those of messung der Strahlenbelastung inner- various human organs. To mimic the pro- halb und außerhalb der ISS� matRoSHKa tective effect of a space suit, the dummy heißt die Spezialpuppe – entwickelt und was encased in a container of carbon gebaut vom DlR-Institut für luft- und fibre during its stay outside. The valuable Raumfahrtmedizin�

57 Die Puppe selbst – mit Kopf und ober- data hitherto delivered by MaTRoShKa’s körper – ähnelt einem menschlichen sensors are being evaluated by partici- torso� Innerhalb der Puppe befinden sich pating scientists in order to find out how an über 1�600 Positionen, unter anderem much and what kind of radiation arrives an den orten verschiedener menschlicher at various organs of the human body. organe, aktive und passive Strahlungs- detektoren� Um die Schutzwirkung des In 2010, equipped with advanced sen- Raumanzugs zu simulieren, umgab die sors, MaTRoShKa has measured radia- Puppe während ihres aufenthalts außer- tion exposure inside the Japanese KIBo halb der ISS ein Behälter aus Kohlefaser� module. after that, the phantom may matRoSHKas Sensoren haben bereits resume its measurements outside the ISS wertvolle Daten geliefert� Die beteiligten again. Wissenschaftler werten sie aus, um her- auszufinden, wie viel und welche art von The data collected by MaTRoShKa on Strahlung an den verschiedenen organen the type and intensity of radiation per- Die Astronauten Sergey Krikalev (l�) und John des menschlichen Körpers ankommt� mit assessing the risks presented by cos- Phillips mit der Spezialpuppe MATROSHKA mic radiation to the human body and zur Messung der Weltraumstrahlung mit weiterentwickelten Sensoren ausge- developing countermeasures to establish stattet, hat matRoSHKa im Jahr 2010 a suitable protection system. Astronauts Sergey Krikalev (l.) and John Phillips with the MATROSHKA dummy, which die Strahlenbelastung im Inneren des serves to measure cosmic radiation japanischen KIBo-moduls gemessen� EXPOSE-R Später soll die anlage die messungen The Origin of Life on Earth außerhalb der ISS wieder aufnehmen� Coordinators: Dr Gerda horneck, Durch die von matRoSHKa gesammel- DlR Cologne; prof. Donat-p. häder, ten Daten der Strahlungsart und -inten- erlangen University sität lassen sich die Risiken kosmischer Strahlung für den menschlichen Körper In november 2008, the eXpoSe-R facility einschätzen und Gegenmaßnahmen ent- arrived on the ISS. on March 10, 2009, wickeln, die zu einem geeigneten Schutz this astrobiological exposure unit was führen� attached to the Svezda module of the Russian segment. at the end of 2010, EXPOSE-R the samples taken by eXpoSe-R were Ursprung des Lebens auf der Erde returned for evaluation to the terrestrial laboratories of the participating scien- Koordination: Dr� Gerda Horneck, tists. parked for the time being inside the DlR Köln; Prof� Dr� Donat-P� Häder, ISS, the unit is scheduled to receive new Universität erlangen biological samples in mid 2012. Then eXpoSe-R will be mounted again on the Die anlage eXPoSe-R wurde im novem- outer skin of the Russian module. ber 2008 zur ISS gebracht� am 10� märz 2009 wurde die astrobiologische exposi- eXpoSe-R, its eight experiments and c. tionseinheit auf dem Swesda-modul des 1,200 samples are used by scientists to russischen Segments angebracht� ende explore the question of the origin of life 2010 kamen Proben von eXPoSe-R zur on earth. In cooperation with aachen auswertung in die irdischen labors der University of applied Sciences (RWTh beteiligten Wissenschaftler zurück� Die aachen) and the Technical University of anlage selbst blieb in der ISS und soll Munich (TU Munich), the radiation biolo- mitte 2012 mit neuen biologischen Pro- gy department of the DlR Institute of ben wieder an der außenseite des russi- aerospace Medicine is running an experi- schen moduls montiert werden� ment called SpoReS (spores in artificial meteorites), one of six astrobiological experiments implemented by the RoSe

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mit eXPoSe-R, seinen acht experimenten consortium (Response of organisms to und circa 1�200 einzelproben erforschen Space environment) which is coordinated Wissenschaftler die Frage nach dem Ur - by DlR. at the same time, the dosimeters sprung des lebens auf der erde� Die ab - integrated in the eXpoSe-R experimental teilung Strahlenbiologie im DlR-Institut facility keep measuring the ionising and für luft- und Raumfahrtmedizin, die solar-UV radiation. dabei mit der Rheinisch-Westfälischen technischen Hochschule aachen (RWtH Spores of bacteria, fungi, and three aachen) und der technischen Universität different species of fern were mixed or münchen (tU münchen) kooperiert, führt covered with meteorite material and das experiment „SPoReS – Spores in arti- exposed to space. after return to earth, ficial meteorites“ durch – eines von sechs biologists will determine the survival rate astrobiologischen experimenten des of the spores to validate the panspermia „RoSe-Consortiums“ (Response of orga- hypothesis. nisms to Space environment) – koordiniert vom DlR� Zusätzlich messen die in TRIPLE LUX Das Experiment EXPOSE-R setzt Proben der Strahlung des Weltalls aus und geht so der der experimentieranlage eXPoSe-R ein- Triple Light on the Mysteries Frage nach, ob Organismen im Weltall über- gebundenen Dosimeter die ionisierende of Immune Research leben können wie auch die solare UV-Strahlung� Coordinators: prof. Berthold hock, In pursuit of the question of whether organisms can survive in space, samples are Die Wissenschaftler mischten oder über- Munich TU; prof. oliver Ullrich, exposed to cosmic radiation in the EXPOSE-R deckten Sporen von Bakterien, Pilzen Magdeburg/Zürich Universities; experiment und drei verschiedenen Farnarten mit prof. peter Diedrich hansen, Berlin TU; meteoritenmaterial und setzten sie den Dr petra Rettberg, DlR Cologne extremen Bedingungen des Weltraums aus� nach der Rückkehr zur erde bestimm- To a large extent, the causes and mecha- ten die Biologen die Überlebensrate der nisms of immune system impairment Sporen, um die Pandespermie-Hypothese in astronauts are not yet understood zu überprüfen� despite years of research. In a variety of experiments, German scientists are TRIPLE LUX attempting to shed some light into the Dreimal Licht für die Rätsel darkness, pursuing approaches that dif- der Immunforschung fer greatly: while the IMMUno experiment, for example, revolves around man Koordination: Prof� Berthold Hock, as a whole, the scientists of TRIple lUX tU münchen; Prof� oliver Ullrich, chose a cellular and genetic approach to Universitäten magdeburg/Zürich; come closer to a solution of the problem. Prof� Peter Diedrich Hansen, tU Berlin; Dr� Petra Rettberg, DlR Köln Three sub-projects investigate the influence of microgravity and cosmic radia- Die Ursachen und mechanismen für die tion on cells of the immune system, Beeinträchtigung des Immunsystems von which is old in terms of evolutionary astronauten sind trotz jahrelanger For- schung noch immer weitgehend unver- standen� In verschiedenen experimenten versuchen auch deutsche Wissenschaftler in sehr unterschiedlichen ansätzen, licht ins Dunkel zu bringen: Während beispielsweise bei dem experiment ImmUno der ganze mensch im mittelpunkt steht,

59 haben die Wissenschaftler bei tRIPle biology. The essential mechanism on lUX einen zellulären und genetischen which the immune system is based ansatz gewählt, um der Problemlösung involves the absorption of particles or näherzukommen� cells by other cells (phagocytosis). Thus, phagocytes or macrophages that combat In drei teilprojekten wird hier der einfluss pathogens form the first line of defence von Schwerelosigkeit und Weltraum- in the immune systems of higher-order strahlung auf Zellen des angeborenen, organisms, including us humans, the entwicklungsbiologisch alten Immunsys- next being the adaptive immune system tems untersucht� Bei diesem Immunsys- with its antibodies and other cells and tem nehmen im Wesentlichen Partikel molecules. oder Zellen andere Zellen auf (Phagozy- tose)� So bekämpfen Fresszellen (makro- While sub-project a, which is run by the phagen) Krankheitserreger und bilden universities of Munich and Magdeburg/ bei höheren organismen – auch bei uns Zürich, uses immune cells of mice, sub- menschen – die erste Verteidigungslinie project B of Berlin Technical University der Immunabwehr, bevor das adaptive uses cells from the blood system of sea- Sogenannte Fresszellen sind die erste Immunsystem mit seinen antikörpern shells. In these organisms, which are very Verteidigungslinie der Immunabwehr und weiteren Zellen und molekülen in old in terms of evolutionary history, these (Frank Geisler/dpa) aktion tritt� cells assume the function of phagocytosis, Macrophages are the first line of defence i.e. they serve for eliminating microor- in the immune system (Frank Geisler/dpa) Während beim teilprojekt a der Universi- ganisms thus enhancing immune defence täten münchen und magdeburg/Zürich and form an inborn immune system in Immunzellen von mäusen zum einsatz seashells that is comparable to that of kommen, sind es beim teilprojekt B der human beings. technischen Universität Berlin Zellen des Blutsystems von muscheln� Diese über- To analyse the effects of microgravity nehmen bei den muscheln als entwick- and cosmic radiation, a new method has lungsgeschichtlich sehr alten organismen been developed in which changing light die aufgabe der Phagozytose, dienen signals suggest that important vital func- also der Beseitigung von mikroorganis- tions are impaired in cell systems. In men und stärken so die Immunabwehr� environmental monitoring, for example, Damit verfügen muscheln über ein mit the method is used in the early identifi- dem menschen vergleichbares, angebo- cation of immunotoxic substances in sur- renes Immunsystem� face waters, the inspection of waste water, and interior hygiene. Für die analyse der Wirkung von Schwe- relosigkeit und Weltraumstrahlung wurde Implemented by D lR Cologne, sub- eine neue methode entwickelt, bei der project C investigates the possibility that von veränderten lichtsignalen auf die e. coli bacteria might be able to repair Beeinträchtigung wichtiger lebensfunkti- radiation damage in microgravity. al - onen der Zellsysteme geschlossen wird� though it is known that on earth, effec- In der Umweltanalytik kommt dieses Ver- tive mechanisms to repair radiation dam- fahren beispielsweise zur frühzeitigen age are available in the Dna, there is no erkennung von immuntoxischen Sub- proof as yet that these mechanisms also stanzen in oberflächengewässern, bei work in microgravity. der Kontrolle von abwässern oder auch in der Innenraumhygiene zur anwen- In 2011/12, TRIple lUX B will be run first dung� in the BIolaB, followed by a. Results will be immediately available to scientists as there are no samples to be returned.

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Im teilprojekt C des DlR Köln wird die möglichkeit der Reparatur von Strahlen- life Sciences – schäden bei e. coli Bakterien in Schwere- losigkeit untersucht� Grundsätzlich weiß Space Medicine man zwar, dass auf der erde für die Reparatur von Strahlenschäden in der During the first few years of ISS exploita- Dna effektive mechanismen zur Verfü- tion, space-medicine research played an gung stehen� ob diese auch in Schwere- eminent part in the programme of re - losigkeit funktionieren, ist aber noch search under space conditions. While two nicht bewiesen� projects have already been completed, new experiments have been approved In den Jahren 2011/12 wird im BIolaB which are either running or about to zunächst tRIPle lUX B, dann a durchge- begin. führt� Die Versuchsergebnisse stehen den Wissenschaftlern direkt zur Verfügung, PULS/PNEUMOCARD da ein Probenrücktransport nicht not- Cardiovascular Analysis and the Autonomic Nervous System wendig ist� An Bord der ISS testet der Kosmonaut Juri Malentschenko PNEUMOCARD – ein einfa- Coordinators: Dr Jens Tank, ches, robustes und zuverlässiges Gerät zur lebenswissen- Charité Berlin/Mhh hannover; Roman Kreislaufdiagnostik (IBMP) Baevsky, IBMp Moscow On board the ISS: cosmonaut Juri Malent- schaften – Raum- schenko testing PNEUMOCARD, a simple, Both short and long-term space flights robust, and reliable device for cardiovascular affect our circulatory regulation and our diagnosis (IBMP) fahrtmedizin metabolism. The absence of gravity leads to extensive physiological changes. Thus, Die raumfahrtmedizinische Forschung part of the blood volume moves to nahm in den ersten Jahren der ISS-nut- the upper half of the body. In parallel, zung eine herausragende Rolle im Pro- changes occur in the regulation of the gramm Forschung unter Weltraumbedin- autonomic nervous system, which cannot gungen ein� Während zwei Projekte be influenced consciously. after their bereits abgeschlossen werden konnten, return to earth, astronauts often show wurden neue experimente zugelassen, cardiovascular regulatory dysfunctions die bereits laufen oder demnächst star- called orthostatic intolerance in the med- ten� ical terminology. PULS/PNEUMOCARD Similar regulatory disorders are also Herz-Kreislauf-Analyse und observed in certain patients on earth. autonomes Nervensystem Scientists intend to use the pUlS/pneU- MoCaRD experiments to improve their Koordination: Dr� Jens tank, understanding of circulatory disorders in Charité Berlin/mHH Hannover; Roman astronauts and to develop new methods Baevsky, IBmP moskau of diagnosis and therapy for patients on earth. Kurz- und langzeit-Raumflüge haben auswirkungen auf Kreislaufregulation Scientists of the Berlin Charité, the hano- und Stoffwechsel� Die fehlende Schwer- ver medical college (Mhh) and the Insti- kraft verursacht umfangreiche physiolo- tute for Biomedical problems (IBMp) have gische Veränderungen� So verschiebt sich developed a robust, dependable, and ein teil des Blutvolumens in die obere Körperhälfte� Parallel dazu kommt es zu Veränderungen der Regulation des auto- nomen, nicht willentlich beeinflussbaren nervensystems� nach der Rückkehr der

61 astronauten zur erde treten oft Störun- simple device for circulatory diagnosis gen der Kreislaufregulation auf, die that has been used in the Russian mediziner als orthostatische Intoleranz laboratory since november 2002. The bezeichnen� results obtained so far show that blood pressure, heart rate, and respiration Ähnliche Störungen der Kreislaufregu- adapt well to the changed conditions in lation werden auch bei bestimmten Pa- space. after about three months, how- tienten beobachtet� Die Wissenschaft- ever, functional reserves gradually begin ler wollen durch die experimente PUlS/ to dwindle: systems now have to work PneUmoCaRD die Ursachen von Kreis- harder and are unable to cope with extra laufstörungen bei astronauten besser physical or psychic stress as well as they verstehen und gleichzeitig neue Diagnos- did in the beginning. however, it is the tik- und therapieverfahren für Patienten return to earth and the re-adaptation to auf der erde entwickeln� gravity that confronts cosmonauts with a real problem, especially when they have Wissenschaftler der Berliner Charité, der to stand upright for prolonged periods, HealthLab erfasst mit seinen kleinen Kompo- medizinischen Hochschule Hannover for then they encounter circulatory prob- nenten nicht-invasiv mehr als zehn Werte (mHH) und des Institut für Biomedizini- lems similar to those of some patients wie beispielsweise Blutdruck, Puls, Atmung sche Probleme (IBmP) entwickelten ein and older people. und Stimme� Das Bild zeigt eine Probandin robustes, zuverlässiges und einfaches beim Parabelflug während des Experiments Gerät zur Kreislaufdiagnostik� Seit novem- To improve their evaluation, scientists HealthLab� ber 2002 wird es im russischen labor ein- benchmark the data obtained from the The small components of HealthLab register gesetzt� Bisher vorliegende ergebnisse experiments against the circulatory regu- more than ten values non-invasively, includ- zeigen, dass sich Blutdruck, Herz- und lation of healthy subjects, paraplegic ing blood pressure, pulse, respiration, and atmungsrate gut an die neuen Bedingun- patients, and patients with orthostatic voice. The picture shows a proband during a parabolic flight, proceeding the experiment gen im Weltraum anpassen� nach etwa intolerance. HealthLab. drei monaten kommt es allerdings zu einem allmählichen Verlust der funktionel- To be sure, the individual data obtained len Reserve: Die Systeme sind jetzt stärker from cosmonauts during and after their ausgelastet und verkraften weiteren kör- missions differ widely. To obtain statisti- perlichen oder psychischen Stress schlech- cally robust results, tests on the ISS which ter als zu Beginn� Problematisch für die were originally scheduled to end late in Kosmonauten ist aber die bei der lan- 2009 will be continued until the end of dung auf der erde notwendige Rückan- 2011. an agreement to this effect has passung an die Schwerkraft� Hier treten been made with the Russian partners. gerade beim längeren Stehen durchaus encouraged by the results obtained so Kreislaufprobleme wie bei manchen Pati- far, scientists hope to be able to assess enten und älteren menschen auf� astronauts and cosmonauts by their attributes, divide them into a variety of Um diese ergebnisse besser bewerten zu regulatory types, and select them for können, untersuchen die Wissenschaftler missions accordingly. zum Vergleich auch die Kreislaufregula- tion bei gesunden Probanden, Querschnitt- HealthLab patienten und Patienten mit bestimmten Measurements to Investigate Gleichgewichtsproblemen – zum Beispiel Psychological Stress and Circulatory orthostatischer Intoleranz� Regulation

allerdings treten große individuelle Daten- Coordinators: Dr Bernd Johannes, unterschiede bei den Kosmonauten wäh- DlR hamburg; Vyacheslav Salnitski, rend und nach den missionen auf� Um IBMp Moscow statistisch belastbare ergebnisse zu erhalten, werden die zunächst bis ende 2009 Space missions challenge astronauts not only physiologically but also emotionally.

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vorgesehenen messungen auf der ISS bis Run by the DlR Institute of aerospace ende 2011 fortgesetzt� eine entsprechen- Medicine and the Institute of Biomedical de Vereinbarung mit den russischen Part- problems (IBMp), the healthlab project nern ist getroffen� ermutigt durch die involves simulating a manually-controlled bisherigen ergebnisse, hoffen die Wis- docking manoeuvre between a spaceship senschaftler, die angehenden astronau- and a space station both on the ground ten und Kosmonauten zukünftig richtig and on board the ISS, exposing cosmo- nach ihren merkmalen einschätzen, sie nauts to an extremely stressful situation. danach in verschiedene regulatorische In that situation, their mental and physi- typen unterteilen und entsprechend für ological reactions are measured to deter- eine mission auswählen zu können� mine their performance capability. This permits objective decisions as to which HealthLab of them will be best at performing cer- Messungen zur psychischen tain tasks in a concrete situation. health- Belastung und Kreislaufregulation lab employs small, non-invasive components worn on the body to register more Der russische Kosmonaut Oleg Kononenko führt das Experiment HealthLab auf der ISS Koordination: Dr� Bernd Johannes, than ten different readings simultaneous- durch DlR Hamburg; Vyacheslav Salnitski, ly, including blood pressure, pulse rate, IBmP moskau respiration, and voice. The Russian cosmonaut Oleg Kononenko per- forms the HealthLab experiment on the ISS Weltraummissionen fordern die astro- Docking manoeuvres are crucial for the nauten nicht nur physiologisch, sondern success of entire missions, presenting auch psychisch heraus� Das Projekt great challenges to the astronauts’ men- Healthlab des DlR-Instituts für luft- und tal and motor capabilities because they Raumfahrtmedizin und des Instituts für need to keep all six degrees of freedom Biomedizinische Probleme (IBmP) simu- that exist in space under control simulta- liert ein händisch gesteuertes andockma- neously. To put that in perspective: driv- növer eines Raumschiffs an eine Raum- ing a car confronts you with no more station am Boden sowie an Bord der ISS than two independent degrees of free- und setzt die Kosmonauten so einer ex- dom, while flying a plane confronts you tremen Stresssituation aus� Dabei werden with four. ihre psychischen und physiologischen Reaktionen gemessen und die leistungs- The ultimate aim of healthlab is to fähigkeit ermittelt� So kann objektiv ent- develop a diagnostic method capable of schieden werden, welcher Proband in predicting the dependability of actions in einer konkreten Situation am besten in other stressful situations. It might serve der lage ist, bestimmte aufgaben durch- to determine the stress to which people zuführen� Healthlab erfasst dabei mit are exposed who bear great responsibili- seinen kleinen, am Körper zu tragenden ty in their job, such as air traffic control- Komponenten gleichzeitig nicht-invasiv lers, pilots, or explosives experts. mehr als zehn Werte wie beispielsweise Blutdruck, Puls, atmung und Stimme� andockmanöver sind für den erfolg einer ganzen mission entscheidend� Sie fordern die astronauten mental und motorisch in hohem maße, da sie zeitgleich alle sechs Freiheitsgrade im Raum kontrollieren müs- sen� Zum Vergleich: Beim autofahren ist man lediglich mit zwei unabhängigen Freiheitsgraden konfrontiert, beim Fliegen eines Flugzeugs mit vier�

63 Das Fernziel von Healthlab ist, ein dia- IMMUNO gnostisches Verfahren zu entwickeln, Hormonal and Immunological mit dessen Hilfe die Zuverlässigkeit von Changes Handlungen unter Stress auch in anderen Situationen vorhergesagt werden Coordinator: Dr alexander Choukèr, kann� So könnte die Beanspruchung von lMU Munich menschen ermittelt werden, die eine hohe berufliche Verantwortung tragen, Besides microgravity and radiation, a wie beispielsweise Fluglotsen, Piloten multitude of other stressors might cause oder Sprengstoffexperten� the immune system of astronauts to weaken, including isolation, a heavy IMMUNO workload, and a broken sleep rhythm. Hormonelle und immunologische Severely ill people on earth struggle with Veränderungen similar problems in their defence mechanism, partly triggered by the same stress Koordination: Dr� alexander Choukèr, factors. In both cases, the immune sys- lmU münchen tem should be strong enough to defend the body against pathogens but should neben Schwerelosigkeit und Strahlung not be exposed to undue strain thereby. könnten vielfältige Stressfaktoren wie Isolation, arbeitsbelastung und Störungen Since april 2006, scientists of the ludwig des Schlafrhythmus eine Schwächung Maximillian University of Munich who des Immunsystems bei astronauten aus- work on the IMMUno project have been lösen� mit vergleichbaren Problemen conducting extensive biochemical analy- unseres abwehrsystems, teilweise ausge- ses, complemented by psychological löst durch dieselben Stressfaktoren, haben tests, to identify changes in the immune Schwerkranke auf der erde zu kämpfen� system of long-term crew members. By In beiden Fällen sollte einerseits eine aus- comparing their findings with isolation reichende abwehrkraft zum Schutz vor and bedrest studies, they hope to learn Krankheitskeimen vorhanden sein� ande- more about the role of the individual rerseits darf das Immunsystem auch nicht factors that weaken the immune system überbeansprucht werden� as well as about the immune defence mechanism. on the basis of this knowl- mit umfangreichen biochemischen ana- edge, new prophylactic and therapeutic lysen, ergänzt durch psychologische methods may be developed for astro- tests, untersuchen Wissenschaftler der nauts as well as for severely ill patients ludwig-maximilians-Universität münchen under intensive care. im Projekt ImmUno seit april 2006 die Veränderungen des Immunsystems der OTOLITH langzeit-Crews� aus Vergleichen mit Iso- The Balancing Mechanism in the lations- und Bettruhestudien erwarten sie Inner Ear aufschlüsse über die Rolle der einzelnen Faktoren, die das Immunsystem schwä- Coordinator: prof. andrew Clarke, chen, sowie über den mechanismus der Charité Berlin Immunabwehr� Diese Kenntnisse sind Voraussetzung für die entwicklung neuer, Gravity is a reference for our orientation vorbeugender sowie therapeutischer in space and our coordination of all body maßnahmen für den einsatz beim astro- movements. In many animal species as nauten sowie beim Schwerkranken in well as in humans, sensing gravity is the der Intensivmedizin� function of the otolith organs (utriculus and sacculus) in the vestibular system of

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OTOLITH the inner ear. acting in concert with our Gleichgewichtssystem im Innenohr sense of vision and various sensors in muscles and joints, the vestibular system Koordination: Prof� andrew Clarke, facilitates movement coordination and Charité Berlin spatial orientation. all movements of the head and its position relative to the Die Schwerkraft ist Bezugsgröße für direction of gravity are constantly moni- räumliche orientierung und Koordination tored. sämtlicher Körperbewegungen� Bei vielen tierarten und beim menschen sind die During a flight in space, the absence of otolithenorgane (Utrikulus und Sakkulus) the gravity stimulus confronts the senso- des Gleichgewichtssystems im Innenohr rimotor system with a challenge, yet it für die Wahrnehmung der Schwerkraft will adapt to the new situation within a zuständig� Gemeinsam mit dem Sehsinn few days in a process in which the neu- sowie Sensoren in muskeln und Gelen- ronal mechanisms involved are reweight- ken erlaubt das Gleichgewichtssystem ed and “reprogrammed”. Re-adaptation eine koordinierte Bewegung und räumli- to normal gravity starts immediately after che orientierung� alle Bewegungen des landing on earth. as the functional Kopfes und seine Stellung gegenüber der capacity of astronauts may be impaired Schwerkraft werden ständig gemessen� during such phases of adaptation (space Astronauten testen die OTOLITH-Experiment- sickness) it is extremely important to anlage in Houston Der Wegfall des Schwerkraftreizes wäh- develop countermeasures. The opportu- rend eines Raumflugs stellt das sensomo- nities offered in this context by experi- Astronauts testing the OTOLITH experimental apparatus in Houston torische System vor eine besondere Her- ments in space are unique. ausforderung� Dennoch passt es sich innerhalb weniger tage an die neue Situ- The oTolITh experiment was launched ation an� Dabei werden die beteiligten in november 2008. In the period before neuronalen mechanismen neu gewichtet and immediately after each space mis- und „umprogrammiert“� nach der lan- sion, several functions of the otolith dung auf der erde beginnt sofort die organs were scrutinised in order to ena- Rückanpassung an die hiesigen Schwer- ble human physiologists to trace the kraftbedingungen� Da die leistungsfähig- process of re-adaptation in which the keit der astronauten während dieser astronauts’ reflex eye movements, their anpassungsphasen beeinträchtigt sein spatial perception, and their muscle tone kann (Raumkrankheit), ist die entwicklung von Gegenmaßnahmen von großer Bedeutung� Weltraumexperimente bieten hier einzigartige möglichkeiten�

Im november 2008 startete das experiment otolItH� In der Zeit vor und unmittelbar nach einer Weltraummission wurden mehrere Funktionen der otolithenorgane unter die lupe genommen� So können Humanphysiologen den Pro- zess der Rückanpassung an die irdischen Schwerkraftbedingungen erfassen: Die reflexartigen augenbewegungen, die räumliche Wahrnehmung sowie die muskelspannung (tonus) der gelandeten astronauten stabilisierten sich wieder� Wissenschaftler der Berliner Charité ver- wenden für ihre messungen die jüngst

65 etablierte methode, die zum Beispiel für gradually stabilise. established only die Untersuchung von Schwindel zum recently, the method is used even now einsatz kommt, bereits im klinischen by scientists of the Berlin Charité in clini- labor� Die dadurch gewonnenen erkennt- cal laboratory examinations of vertigo nisse können zur Weiterentwicklung der and other complaints. klinischen Prüfung des vestibulo-okulo- motorischen Systems beitragen� The results thus gained might help to advance the development of clinical SOLO examinations of the vestibulo-oculomo- Natrium-Einlagerung beim Menschen tor system.

Koordination: Dr� Petra Frings-meuthen, SOLO DlR Köln; Dr� martina Heer, Profil Institut Sodium Storage in Humans für Stoffwechselforschung neuss/ Universität Bonn Coordinators: Dr petra Frings-Meuthen, DlR Cologne; Dr Martina heer, profil Viele Körperphänomene sind an die Institute for Metabolic Research ernährung gekoppelt und treten mit ihr neuss/Bonn University in Wechselwirkung� Die neu gewonnenen erkenntnisse der letzten Jahre haben Many bodily phenomena are related to die Forschung teilweise auf den Kopf and interact with nutrition. Recent find- gestellt und dafür gesorgt, dass die ings have turned some established sci- Bei den ISS-Experimenten unterliegt die Nah- ernährungswissenschaft einzug in die ence upside down, opening the door to rungsaufnahme der Astronauten strengen Kontrollen biologische und medizinische Wissen- nutritional science to be included among schaft gefunden hat� Bei den ISS-experi- the biological and medical disciplines. In experiments on the ISS, the astronauts’ menten unterliegt die nahrungsaufnah- During experiments on the ISS the astro- food intake is strictly controlled me der astronauten strengen Kontrollen� nauts’ diet is rigidly controlled. excrement, ausscheidungen, Blut- und Urinwerte, blood and urine levels, movements, and Bewegungen und training werden physical exercise sessions are registered genauestens erfasst, analysiert und eine and analysed with painstaking precision, Vielzahl von physiologischen Daten erho- with a multitude of physiological data ben� In dem experiment Solo untersu- being gathered. In the Solo experiment, chen experten des DlR-Instituts für luft- experts of the DlR Institute of aerospace und Raumfahrtmedizin in Köln und der Medicine in Cologne and of Bonn Uni- Universität Bonn mit Hilfe dieser Daten versity are analysing this data to clarify das Zusammenspiel von ernährung, Salz- the interrelation between nutrition, the und Flüssigkeitshaushalt, Knochen- und salt, fluid, bone, and muscle metabolism, muskelstoffwechsel sowie Blutdruckregu- and human blood pressure regulation. lation beim menschen� Tests on the Russian space station MIR Versuche auf der russischen Raumstation have cast doubt on the assumption that mIR hatten Zweifel an der strengen Kop- the salt and water metabolisms of cos- plung von Salz- und Wasserhaushalt bei monauts in microgravity are strictly cou- Kosmonauten in Schwerelosigkeit ausge- pled, calling established textbook wisdom löst und etabliertes lehrbuchwissen in into question. and indeed, subsequent Frage gestellt� In nachfolgenden Boden- studies on the ground revealed a hither- studien entdeckten Forscher in der tat to unknown salt storage mechanism in einen bislang unbekannten mechanismus the skin. Results show that sodium binds to certain sugar-protein molecules. In addition, salt seems to have a detrimental effect on the skeletal system: bone degeneration increases with the intake of common salt. Does a high intake of

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der Salzspeicherung in der Haut� Den salt aggravate the normal degeneration of ergebnissen zufolge wird das natrium bones which is induced by microgravity? an bestimmte Zucker-eiweiß-moleküle Solo is intended to answer that question. gebunden� Zudem scheint es auch einen nachteiligen effekt auf das Skelettsystem THERMO zu geben: Hohe Kochsalzzufuhr steigert Heat Distribution in Humans den Knochenabbau� Intensiviert eine hohe Kochsalzzufuhr den durch die Schwere- Coordinator: prof. hans-Christian Gunga, losigkeit ohnehin schon stattfindenden Charité Berlin Knochenabbau noch zusätzlich? Solo soll diese Frage beantworten� at the onset of microgravity, body fluids like blood and lymph change their distri- THERMO bution at breakneck speed. heat regula- Wärmeverteilung beim Menschen tion behaves analogously: astronauts often complain of cold feet and hands. on eVas, Astronaut Dave Williams misst während Koordination: Prof� Hans-Christian moreover, astronauts are exposed to ex- eines leistungsphysiologischen Tests auf der Gunga, Charité Berlin treme thermal environmental conditions: ISS kontinuierlich die Körperkerntemperatur plus 200 degrees centigrade in sunshine, mit dem Doppelsensor (gelb) am Kopf� Die Beim eintritt in die Schwerelosigkeit ver- minus 180 degrees in shadow. Daten werden im Thermolabsystem (silberne Box am Gürtel) aufgezeichnet, danach ausge- teilen sich Körperflüssigkeiten wie Blut lesen und per Downlink an die Bodenstation und lymphe rasend schnell um� analog Strenuous work in a space suit may geschickt� verändert sich der Wärmehaushalt: cause the temperature in the interior of astronauten klagen oft über kalte Füße the body to rise very quickly to the dan- During a physiological performance test on und Finger� Bei einsätzen außerhalb der gerous level of 39 degrees and more, the ISS, astronaut Dave Williams continuously measures his core body temperature with ISS sind astronauten geschützt durch which is why it must be monitored con- a twin sensor (yellow) attached to his head. Raumanzüge zudem extremen thermi- tinuously. at the same time, traditional The data is recorded in the thermolab system schen Umweltbedingungen ausgesetzt: methods are not suitable for daily use (silver box on the belt), read out, and sent to plus 200 Grad in der Sonne, minus 180 by astronauts for technical and hygienic the ground station by downlink. Grad im Schatten� reasons.

Die anstrengende arbeit kann innerhalb Cooperating closely with Drägerwerk kürzester Zeit zu einem gefährlichen aG, a team at the Berlin Charité has anstieg der Körperkerntemperatur auf developed a non-invasive measuring über 39 Grad führen; diese muss deshalb method to deal with this situation. a kontinuierlich erfasst werden� allerdings patented “twin sensor” measures the sind die bisherigen Verfahren aus mess- flow of heat at the head or on the technischen oder hygienischen Gründen breastbone which is then converted nicht für den alltäglichen einsatz bei as- into core temperatures with the aid tronauten geeignet� of special algorithms. eine arbeitsgruppe an der Charité Berlin The new sensor that is used in the hat daher in enger Zusammenarbeit mit TheRMo experiment on the ISS has der Drägerwerk aG ein nicht-invasives already been tested in parabolic flights. messverfahren entwickelt� Der paten- In addition, scientists employed a heat tierte „Doppelsensor“ erfasst den Wärme- fluss am Kopf oder auf dem Brustbein� Über spezielle algorithmen wird dieser in Körperkerntemperaturen umgerechnet�

67 auf Parabelflügen wurde der neue Sen- imaging camera to record temperature sor, der beim ISS-experiment tHeRmo distribution together with other modern zum einsatz kommt, bereits getestet� methods to measure the rapid move- Zusätzlich setzten die Wissenschaftler ment of fluids under changing gravity eine Wärmebildkamera zur erfassung conditions. The result: immediately after der temperaturverteilung und weitere the onset of microgravity, more than half moderne Verfahren zur messung von a litre of blood rises from the legs to the raschen Flüssigkeitsverschiebungen bei head. Moreover, microgravity causes a wechselnden Schwerkraftbedingungen marked increase in the proportion of ein� ergebnis: Unmittelbar nach Wegfall heat radiated from the head, which is der Schwerkraft steigt mehr als ein hal- 30 per cent even on earth. ber liter Blut von den Beinen aus in Rich- tung Kopf� Die Wärmeabstrahlung, die TheRMo has been running on the ISS bereits auf der erde zu rund 30 Prozent since october 2009. It has been com- über den Kopf erfolgt, erhöht sich in der bined with other physiological experi- Schwerelosigkeit deutlich� ments run by naSa to obtain more Niederleistungsdiagnostik: Der Zeitverlauf detailed information about the regula- der muskulären Sauerstoffaufnahme nach Seit oktober 2009 läuft tHeRmo auf der tion of body heat and the cardiovascular Leistungsänderungen bei leichten Belas- ISS, wo es mit weiteren leistungsphysiolo- system. people in jobs with a high heat tungsintensitäten könnte zukünftig Ausbe- lastungstests von Astronauten ersetzen gischen experimenten der naSa kombi- risk, such as firemen and members of niert wird, um gemeinsam zu detaillierten the police and special forces, stand to In the future, muscle oxygenation histograms erkenntnissen über die Regulation des benefit from the new method. In the taken during physical tests with loads vary- Herz-Kreislauf-Systems und des Wärme- daily routine of a clinic, TheRMo may ing between light and medium may eliminate the need for testing astronauts to haushalts zu gelangen� thermisch gefähr- also be used in surgery and in incubators exhaustion dete Berufsgruppen wie Feuerwehr, Poli- for newborn babies. Furthermore, the zei und Sondereinsatzkräfte sollen von new twin sensor has already been used der neuen methodik profitieren� auch im successfully in heart transplants per- klinischen alltag kann tHeRmo bei ope- formed at the Berlin heart Centre in rationen und im neugeborenen-Inkuba- 2010. tor zum einsatz kommen� Bei Herztrans- plantationen im Berliner Herz-Zentrum EKE wurde der neue Doppelsensor im Jahr Determining Aerobic Fitness 2010 bereits erfolgreich angewendet� Coordinator: Dr Uwe hoffmann, EKE DShS Cologne Bestimmung der Ausdauer leistungsfähigkeit While they are on a mission, astronauts need to follow an extensive exercise pro- Koordination: Dr� Uwe Hoffmann, gramme to counteract the loss of physi- DSHS Köln cal fitness. one aspect is aerobic fitness, which is measured in endurance tests astronauten müssen während einer lau- and assessed by maximum oxygenation. fenden mission ein umfangreiches trai- In these tests, subjects must go to the ningsprogramm absolvieren, um dem limits of their physical strength. Verlust an physischer Fitness zu begeg- nen� Dazu gehört auch die ausdauerleis- Scientists of the German Sports Univer- sity (DShS) in Cologne believe that the resultant state of exhaustion can be avoided by recording muscle oxygenation over time in exercise tests that change between light and medium intensity. The method is not universally established yet.

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tungsfähigkeit, die mit Hilfe von ausbe- This is where the exercise Kinetics experi- lastungstests bestimmt und durch die ment (eKe) kicks in. maximale Sauerstoffaufnahme beurteilt wird� Der Proband muss hierbei bis an astronauts must undergo specific fitness die Grenze seiner körperlichen leistungstests before, during, and after any stay fähigkeit gehen� in microgravity. Measured quantities include the gas exchange during breath- Will man diese erschöpfungszustände ing as well as the heart rate and output vermeiden, kann nach auffassung von volume. During their stay on the ISS, fit- Wissenschaftlern der Deutschen Sport- ness test data is gathered to determine hochschule (DSHS) in Köln auch der maximum oxygenation, and integrated in Zeitverlauf der muskulären Sauerstoff- the model together with reference meas- aufnahme nach leistungsänderungen urements taken on earth. bei leichten bis mittleren Belastungs- intensitäten erfasst werden� Diese me- eKe is intended to lead to the develop- thode ist bislang aber noch nicht allge- ment of a methodology that permits mein etabliert� Genau hier setzt das assessing physical fitness by changes in exercise-Kinetics-experiment (eKe) an� oxygenation and cardiovascular parameters in relation to load intensity. Special Vor, während und nach dem aufenthalt instruments permit recording such data in Schwerelosigkeit müssen die astro- non-invasively during physical exercise nauten spezifische Belastungstests sessions, so that frequent tests to absolvieren� neben dem Gasaustausch exhaustion can be avoided. While tests beim atmen werden dabei auch Herzfre- to the limit may be acceptable for ath- quenz und Herzzeitvolumen bestimmt� letes, this new low-stress diagnostic Während des ISS-aufenthalts werden might be applied to children and patients Daten von leistungstests zur Bestimmung in the future. der maximalen Sauerstoffaufnahme erhoben und mit den Vergleichsmessun- gen auf der erde in das modell einge- rechnet� eKe soll zur entwicklung einer methodik führen, mit der man die körperliche leis- tungsfähigkeit anhand der Veränderun- gen der Sauerstoffaufnahme und der Herz-Kreislauf-Parameter in abhängigkeit zur Belastungsintensität abschätzen kann� Diese Daten können mit entsprechenden Instrumenten während des trainings nicht invasiv erhoben werden� Häufige leistungs test bis zur erschöpfung werden so vermieden� Während eine ausbelas- tung beim Sportler noch akzeptabel sein mag, könnte diese neue „niederleistungsdiagnostik“ in Zukunft auch bei Kindern und Patienten eingesetzt werden�

69 Physik physics

Konnten in der Vergangenheit wichtige While important physical discoveries have physikalische entdeckungen gemacht been made and new materials developed und neue Werkstoffe entwickelt werden, in the past, the future, too, holds answers so hält auch die Zukunft antworten auf to important questions in the field of wichtige physikalische Fragen bereit� physics. To find these answers, plasma Darum werden die Plasmakristallexperi- crystal experiments are being continued mente in verbesserten experimentieranla- in improved experimental facilities, fluid gen fortgesetzt, Flüssigkeitsströmungen flows in channels are being investigated, in Kanälen überprüft und die Strömun- and flows in the tough mantle of the gen im sogenannten zähen erdmantel earth are being examined. Das Experiment CCF wird durch das Projekt- überprüft� team vom Zentrum für angewandte Raum- CCF fahrttechnologie und Mikrogravitation CCF Fluid Flows in Channels (ZARM) von Bremen aus gesteuert (ZARM) Flüssigkeitsströmungen in Kanälen The capillary channel flow experiment is con- Coordinators: prof. Michael Dreyer, trolled by the CCF team from the Centre for Koordination: Prof� michael Dreyer, ZaRM, Bremen University; prof. Mark Applied Space Technology and Microgravita- ZaRm, Universität Bremen; Prof� mark Weislogel, portland University, USa tion (ZARM) in Bremen (ZARM) Weislogel, Universität Portland, USa In april 2010, the German CCF (capillary Im april 2010 brachte ein Space Shuttle channel flow) research apparatus arrived die deutsche Forschungsapparatur CCF on the ISS in a space shuttle. Under this (Capillary Channel Flow) auf die ISS� Die- bilateral cooperation project between ses bilaterale Kooperationsprojekt des DlR Space administration and naSa, DlR Raumfahrtmanagements und der scientific teams investigate how liquids naSa erforscht, wie sich Flüssigkeiten in behave in capillary channels in micro- kapillaren Kanälen unter Schwerelosig- gravity. naSa is mainly responsible for keit verhalten� Die naSa ist im Wesentli- transporting the apparatus to the ISS, chen für den transport der apparatur operating it there, and training the astro- zur ISS, deren dortigen Betrieb und das nauts. The German side provides the astronautentraining verantwortlich� Die apparatus for on-board use as well as an deutsche Seite stellt die apparatur für engineering and a training demonstrator. den Bordeinsatz sowie ein Ingenieur- und ein trainingsmodell zur Verfügung� Whether we are looking at a space probe, an aTV satellite, or even a crewed future ob Raumsonde, Fernsehsatellit oder auch flight to the Moon or Mars, liquids need ein zukünftiger bemannter mond- oder to be handled safely and purposefully on mars-Flug: an Bord von Weltraumfahr- board any spacecraft. This is true for zeugen ist eine sichere und gezielte Hand- fuels as well as for water and liquefied habung von Flüssigkeiten von entschei- gases. on earth, problems do not usually dender Bedeutung� Das gilt sowohl für occur: petrol in the tank of a car always treibstoffe als auch für Wasser und ver- slops around at the bottom, thanks to flüssigte Gase� auf der erde treten ge- gravity. In zero gravity, by contrast, it wöhnlich keine Probleme auf: Benzin would spread all around the tank. in einem autotank schwappt dank der erdanziehung immer am Boden� Unter When a rocket engine is ignited in orbit, Schwerelosigkeit hingegen verteilt sich the great challenge is to convey the fuel der treibstoff überall im tank� to the outlet of the tank and on to the propulsion unit without any bubbles forming in the flow. a promising and technically smart solution is to convey

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Den flüssigen treibstoff bei einer Zün- fluids in ducts that are open along the dung des Raketentriebwerks im orbit im side, called capillary channels. The fluid is tank zur auslassöffnung zu fördern und kept in the channel by its own surface dem triebwerk blasenfrei zur Verfügung tension and good wall-material wetting. zu stellen, ist daher eine große Heraus- The forces that control the process and forderung� eine vielversprechende und the interactions between them are technisch elegante lösung ist der einsatz described in mathematical models based von seitlich offenen leitungen, soge- on flow-mechanical equations. however, nannten Kapillarkanälen, in denen Flüs- such theoretical calculations can be vali- sigkeit strömt� Ihre oberflächenspannung dated only by experiments in microgravi- und die gute Benetzung zum Wandma- ty. terial hält sie in den leitungen� Welche Kräfte dabei wirksam sind und wie sie In these experiments, fuel lines are mod- interagieren, modellieren Wissenschaftler elled by capillary channels consisting of anhand von Gleichungen der Strömungs- two panes of glass arranged in parallel mechanik mathematisch� Doch diese and/or in a v-shape. Both the length of theoretischen Berechnungen können nur the channels and the volume flow rate Am 27� Dezember 2010 experimentierte der durch experimente unter Schwerelosig- of the fluid may be varied during the NASA-Astronaut Scott Kelly mit der „Capillary keit bestätigt werden� mission. Together with the geometry of Channel Flow“ (CCF) Hardware in der „Micro- gravity Science Glovebox“ (MSG) the test channel, the properties of the treibstoffleitungen werden im experiment model fluid, such as viscosity, density, On December 27, 2010, NASA astronaut Scott modellhaft mit je einem Kapillarkanal aus and surface tension, have been chosen Kelly worked with “Capillary Channel Flow” zwei parallelen beziehungsweise V-förmi- so that a real-life fuel transport process (CCF) experiment hardware in the “Micro- gen Glasplatten realisiert� Die länge des can be mimicked very closely. This makes gravity Science Glovebox” (MSG) Kanals sowie der Volumenstrom der Flüs- it easy to apply the results obtained from sigkeit sind variabel und können wäh- the ISS model to the operation of a rend der mission verändert werden� Die space vehicle tank. Images of the fluid Stoffeigenschaften der modellflüssigkeit flow taken by a high-resolution camera wie Zähigkeit, Dichte und oberflächen- are transmitted directly to a ground sta- spannung sind so ge wählt, dass sie in tion from which experimenters can con- Kombination mit der Geometrie des trol the process. The test permits deter- testkanals realen treibstofftransporten mining precisely the rate at which the sehr ähnlich sind� Dadurch werden die flow stalls, and why it does. ergebnisse vom modell leicht übertrag- bar auf eine anwendung im Raumfahr- zeugtank� eine hochauflösende Kamera filmt den Flüssigkeitsstrom und sendet die Daten direkt zur Bodenstation, von wo aus die Versuchsleiter in den ablauf eingreifen können� mit dem experiment lässt sich präzise ermitteln, bei welcher Geschwindigkeit die Strömung abreißt und warum das geschieht�

71 GEOFLOW GEOFLOW Ein Blick ins Innere der Erde A Look into the Earth’s Interior

Koordination: Prof� Christoph egbers, Coordinator: prof. Christoph egbers, BtU Cottbus BTU Cottbus

Wie verhält sich die erde in ihrem tiefen how does the earth behave deep in its Inneren? Das experiment GeoFloW soll interior? The GeoFloW experiment is auf diese Frage eine antwort finden, intended to find an answer to this ques- indem die geophysikalischen Strömun- tion by simulating the geophysical flows gen, die in der schmelzflüssigen Schicht that operate in the molten layer between zwischen mantel und festem Kern im the earth’s mantle and its solid core. Inneren der erde vorkommen, nachge- after the successful conclusion of the stellt werden� nachdem die erste experi- first series of experiments on the ISS in mentserie 2009 auf der ISS erfolgreich 2009, scientists are now simulating flows Das Experiment GEOFLOW der Brandenburgi- abgeschlossen wurde, simulieren Wissen- in the tough mantle in a second test schen Technischen Universität Cottbus simu- schaftler nun in einem zweiten Zyklus die cycle which they hope will also reveal liert die Strömungen im Erdinneren Strömungen im zähen erdmantel� Sie information about global movements in erhoffen sich aber auch erkenntnisse oceans or the atmosphere. Run by the Technical University of Branden- über die globalen Bewegungen in ozea- burg in Cottbus, the GEOFLOW experiment simulates flows in the Earth’s interior nen oder in der atmosphäre� The gap between an inner massive bowl and an external hollow bowl is filled with Zwischen einer inneren, massiven Kugeln oil. In this way, the earth's interior is sim- und einer äußeren Hohlkugel befindet ulated. Centripetal gravitation is simulat- sich eine Ölschicht� Diese Konstruktion ed by applying high-voltage electricity to bildet im experiment die Verhältnisse im the space between the bowls. Microgravity erddinneren nach� Die auf den erdmittel- is needed to ensure that the force field punkt gerichtete Gravitation wird durch which forms is undistorted and centrally anlegen einer Hochspannung zwischen symmetric, like the gravitational field. der äußeren und der inneren Kugel simu- The model’s flow physics reflect the situ- liert� Schwerelosigkeit ist notwendig, ation in the earth’s interior. damit sich ein unverzerrtes, zentralsym- metrisches Kraftfeld ausbildet – analog The container of the GeoFloW experi- zum Gravitationsfeld� Die Strömungsphy- ment is about the size of a shoebox. It sik ist auf die Verhältnisse im erdinneren was the first experiment in fluid physics modellhaft übertragbar� to be run in the fluid science laboratory of ColUMBUS. For GeoFloW II, which GeoFloW ist ein etwa schuhkarton- will start in 2011, the fluid between the großer experimentcontainer� es war das bowls will be replaced in the terrestrial erste Fluidphysik-experiment, das im laboratory by a new fluid whose viscosity Fluid Science labor von ColUmBUS is highly temperature-dependent, so that ablief� Im experiment GeoFloW II wird flow conditions in the earth’s mantle can ab 2011 mit einer neuen, im Bodenlabor be simulated. ausgetauschten Flüssigkeit zwischen den Kugeln experimentiert� Ihre Zähigkeit ist PK-3-Plus stark temperaturabhängig� So lassen sich Complex Plasmas in Microgravity Strömungsverhältnisse im erdmantel nachbilden� Coordinators: prof. Gregor eugen Morfill, Mpe Garching; Dr Vladimir Molotkov, RadW Moscow

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PK-3-Plus pK-3-plus, a plasma research facility, Komplexe Plasmen in became operational in mid-January 2006. Schwerelosigkeit Designed for research into complex plasmas, the German-Russian experiment Koordination: Prof� Gregor eugen morfill, offers improved conditions for generat- mPe Garching; Dr� Vladimir molotkov, ing and manipulating plasmas of this RadW moskau kind. So far, various effects in solid- and fluid-state as well as plasma physics have mitte Januar 2006 wurde die anlage been investigated under conditions that PK-3-Plus zur Plasmaforschung in Betrieb are accessible only in microgravity. genommen� PK-3-Plus dient der erforschung komplexer Plasmen, die sich durch The experimental programme will be das deutsch-russische experiment besser continued until 2012. The facility is oper- erzeugen und manipulieren lassen� mit ated jointly by the Max planck Institute gezielten experimenten wurden einzelne for extraterrestrial physics in Garching effekte der Festkörper-, Flüssigkeits- und and the Institute of high energy Densi- Plasmaphysik in einem nur unter Schwe- ties of the Russian academy of Sciences Kosmonaut Valery I� Tokarev während der relosigkeit zugänglichen Bereich der Plas- in Moscow. The new apparatus is intend- Expedition 12 im Januar 2006 mit der PK-3- men bereits untersucht� ed to improve our basic understanding of Plus-Anlage processes that operate in crystalline solid Cosmonaut Valery I. Tokarev with the PK-3 Das experimentalprogramm wird voraus- bodies. It replaces the pK-3 facility, the Plus apparatus during expedition 12 in Janu- sichtlich bis 2012 andauern� Betrieben first scientific experiment to be performed ary 2006 wird die einrichtung vom max-Planck-Ins- on the ISS, on which two to three series titut für extraterrestrische Physik in Gar- of experiments per year were run ching und dem Institut für Hochenergie- between March 2001 and July 2005. dichten der russischen akademie der Wissenschaften in moskau� mit der PK-4 neuen apparatur soll das grundlegende The Next Generation Verständnis über Vorgänge in kristallin geordneten Festkörpern erweitert wer- Coordinators: prof. Gregor Morfill; den� Die experiment-anlage löste die ein- prof. Markus Thoma, Mpe Garching richtung PK-3 ab, die als erstes wissenschaftliches experiment auf der ISS von pK-4 is currently undergoing its prepara- märz 2001 bis Juli 2005 mit zwei bis drei tory phase with the support of eSa and experimentserien pro Jahr in Betrieb war� DlR. It is intended to deploy the new facility in the Russian segment of the ISS PK-4 in 2013. Unlike its predecessors, its plas- Die nächste Generation ma chamber consists of a long glass tube specially designed for investigating fluid Koordination: Prof� Gregor morfill; complex plasmas. among other things, Prof� markus thoma, mPe Garching experiments focus on investigating flow properties, in turbulences, for example, PK-4 befindet sich in der Vorbereitungs- in large clouds containing several million phase, die durch eSa und DlR unter- micro-particles as well as in small systems stützt wird� 2013 soll die neue anlage im containing only a few. russischen teil der ISS zum einsatz kommen� Im Gegensatz zu seinen Vorgän- gern besteht die Plasmakammer aus einer langen Glasröhre� Sie ist besonders für die Untersuchung der flüssigen komplexen Plasmen geeignet� ein wichtiges thema bei den experimenten ist die

73 Untersuchung von Strömungseigenschaf- pK-4 has already been tested by scien- ten wie etwa bei turbulenzen in großen tists in four parabolic-flight campaigns. mikropartikelwolken mit einigen millio- next to scientific investigations, these nen teilchen, aber auch in kleinen Syste- experiments served to test the function- men aus wenigen teilchen� ality of the apparatus in microgravity.

mit PK-4 haben die Wissenschaftler bereits an vier Parabelflugkampagnen teilge- nommen� Ziel dieser experimente waren Materials Design dabei neben wissenschaftlichen Untersu- chungen auch Funktionstests der appa- Metallic and semi-conducting materials ratur in Schwerelosigkeit� are mostly produced from the liquid state by melt technologies. Because it eliminates spurious forces within the Während eines Parabelflugs an Bord des Air- melt, microgravity offers crucial advan- bus A300 Zero-G fanden Eignungstests und materialdesign tages in clarifying the interaction between ergänzende Untersuchungen an der PK-4-An- solidification conditions and the structure lage statt metallische und halbleitende Werkstoffe and properties of the resultant material. The PK-4 apparatus was subjected to capabil- werden überwiegend aus dem flüssigen Furthermore, important melt properties ity tests and supplementary examinations Zustand mittels schmelztechnischer such as surface tension and toughness during a parabolic flight on board the Airbus Verfahren hergestellt� Schwerelosigkeit can be measured much more precisely A300 Zero-G bietet durch das ausschalten von Stör- than in terrestrial laboratories by contain- kräften in der Schmelze entscheidende erless methods that operate in zero grav- Vorteile, um die Wechselbeziehung zwi- ity, with the melt sample floating freely. schen erstarrungsbedingungen, Werk- Such accurate data are essential for stoffgefüge und den eigenschaften eines further improvements in the realism of Werkstoffs aufzuklären� In der Schwere- computer simulations. Steadily gaining losigkeit können materialforscher behäl- in importance, these simulations enable terfreie Verfahren anwenden, bei denen the industry to develop new materials die geschmolzene Probe frei schwebt� by more energy-efficient methods. Dadurch lassen sich wichtige eigenschaften wie oberflächenspannung und Zähig- MICAST and CETSOL keit wesentlich genauer bestimmen als in Materials Design in Microgravity irdischen labors� Solche präzisen Daten sind für möglichst realitätsnahe Compu- Coordinators: prof. lorenz Ratke, DlR tersimulationen wichtig, die in der Indus- Cologne; Dr. Ing. Gerhard Zimmermann, trie stetig an Bedeutung gewinnen� Sie aCCeSS e.V. aachen ermöglichen das energiesparende entwickeln neuer Werkstoffe� Since november 2009, eSa’s materials science lab (MSl) has been running vari- MICAST und CETSOL ous series of experiments to investigate Materialdesign in Schwerelosigkeit solidification processes in metallic alloys.

Koordination: Prof� lorenz Ratke, DlR In two experiments, MICaST (microstruc- Köln; Dr� Ing� Gerhard Zimmermann, ture formation in casting of technical aCCeSS e� V� aachen alloys) and CeTSol (columnar-to-equiaxed transition in solidification process- Seit november 2009 laufen im materials ing), cast-aluminium alloys are made to Science lab (mSl) der eSa experiment- solidify in a largely convection-free proc- serien zur erforschung von erstarrungs- ess. Then again, during solidification, vorgängen an metallischen legierungen� metallic melts are also exposed to a In den experimenten microstructure steadily rotating magnetic field in order to implant a spurious additional flow in

74 Deutsche Forschung im all > experimente ab 2011 German Research in Space > experiments from 2011

Formation in Casting of technical alloys the melt. In the next step, all samples (mICaSt) und Columnar-to-equiaxed from the ISS are compared to others that transition in Solidification Processing solidified under analogous conditions on (CetSol) werden aluminium-Gusslegie- earth. Researchers intend to improve rungen weitgehend ohne Konvektion their understanding of the various fac- erstarrt� andererseits werden die metalli- tors that influence solidification process- schen Schmelzen während der erstarrung es in order to refine their mathematical auch einem gleichmäßig rotierenden models to predict the inner structure of magnetfeld ausgesetzt, um eine Störung castings. The aim is to make materials on in Form einer zusätzlichen Schmelzströ- earth which feature improved properties mung aufzuprägen� Sämtliche Proben or lower production costs. von der ISS werden anschließend mit Proben verglichen, die auf der erde unter however, the step from trial-and-error analogen Versuchsbedingungen erstarr- methods to computer-based product ten� Die Forscher wollen die verschiede- design is a key challenge in the develop- nen einflussgrößen auf die erstarrungs- ment of manufacturing processes and prozesse besser verstehen und so end products. Based on accurate knowl- verfeinerte mathematische modelle zur edge of the applicable physical laws and Vorhersage der inneren Struktur von the properties of the material, the mod- Gussteilen gewinnen� So sollen Werk- els used for the purpose simulate any- stoffe mit verbesserten eigenschaften thing from microscopic solidification to oder geringeren Produktionskosten auf the pouring of a casting. Research in der erde hergestellt werden� microgravity has opened up new experimental methods for investigating the Doch der Schritt vom „trial and error“ properties of melts and solidification hin zum computergestützten Produkt- processes in detail. In the absence of design ist eine Herausforderung für die gravity, differences in melt density lose Weiterentwicklung von Herstellungs- their importance and the effects of sedi- prozessen und ihrer Produkte� Hierbei mentation and convection-driven flows werden Simulationsmodelle von der mik- are minimised, so that melts and their roskopischen erstarrung bis zur Gusssi- solidification can be investigated under mulation eines Bauteils verwendet, die purely diffuse conditions. Materials- auf genauen Kenntnissen der physikali- science research under space conditions schen Gesetze und den eigenschaften is increasingly focussing on questions of der Schmelze beruhen� Durch Forschung technological relevance, light-metal alloy unter Schwerelosigkeit konnten neue systems, and heavy-duty and semicon- experimentelle methoden erschlossen ductor materials. werden, um eigenschaften von Schmel- zen und erstarrungsprozessen detailliert zu erforschen� In abwesenheit der Schwer- kraftwirkung spielen Dichteunterschiede in der Schmelze keine Rolle; dadurch lassen sich Sedimentation und Konvektion minimieren und somit Schmelzen unter rein diffusen Bedingungen untersuchen und erstarren� Die inhaltlichen Schwer- punkte der materialwissenschaftlichen Forschung unter Weltraumbedingungen orientieren sich zunehmend an technolo- gisch relevanten Fragestellungen und legierungssystemen aus den Bereichen leichtmetalllegierungen, Hochleistungs- werkstoffe und Halbleitermaterialien�

75 Industrieforschung im Weltraum Industrial Research in Space

Fast jeder moderne entwicklungs- und almost any modern development and Fertigungsprozess stellt die Industrie vor manufacturing process puts industry vielfältige Herausforderungen� In man- before a host of challenges. astronautics chen Fällen konnte die Raumfahrt bereits has more than once been helpful in find- die Suche nach einer lösung unterstüt- ing a solution by facilitating experiments zen, indem sie experimente in Schwere- in a microgravity environment. losigkeit ermöglicht� Dank der Raumfahrt als Dienstleister, die speziell auf die Be - Thanks to astronautics acting as a service dürfnisse des Kunden zugeschnittene provider, offering experiments tailored Versuche ermöglicht, haben forschende to customer needs, research-based com- Unternehmen – zum Beispiel bei künst- panies have come closer to the solutions lichen nanostrukturen – schon For- they were looking for, such as, for in - schungsfortschritte erzielt� stance, synthetic nanostructures. But – can research in space be at all profitable Kann Forschung im Weltraum für ein for a business enterprise? Space-borne Der ESA-Astronaut Frank De Winne arbeitet Wirtschaftsunternehmen gewinnbrin- industrial experiments are worth their mit der „Microgravity Science Glovebox“ (MSG) im COLUMBUS-Modul auf der ISS gend sein? Industrielle Versuche lohnen while in all cases where good results sich immer dann, wenn am Boden herr- are prevented or delayed by the gravity European Space Agency astronaut Frank De schende Schwerkraft gute ergebnisse that prevails on the ground. In future, Winne works in the “Microgravity Science verhindert oder zeitlich verzögert� Zwi- between 10 and 30 per cent of europe’s Glovebox” (MSG) located in the COLUMBUS schen zehn und 30 Prozent der europäi- research capacity on board the ISS should laboratory of the ISS schen Forschungsressourcen an Bord der be available for industrial research. ISS sollen langfristig für die Industrie zur Verfügung stehen� Flight opportunities are available to small and medium-sized enterprises, too, Fluggelegenheiten bestehen auch für where research in space laboratories is kleine und mittlere Unternehmen, die increasingly recognised as a profitable, Forschung in Weltraumlaboren als loh- forward-looking investment, although nende Investition in die Zukunft erken- the ISS is not likely not become a space nen� Die ISS wird aber weder kurz-, noch factory either in the short or in the medi- mittelfristig eine „Fabrik im all“ sein� um term. It will be a place for companies Unternehmen können auf der ISS erfah- to gather experience from which they rungen sammeln und diese bei der Pro- can benefit on a large scale in their produktion auf der erde in großem maßstab duction on earth – a transfer of knowl- umsetzen – Know-how-transfer vom edge from space to earth that pays off Weltraum zur erde mit zeitnaher Rendite� nearly immediately.

Die DlR-Initiative „GoSpace“ bietet die DlR’s GoSpace initiative aims to provide notwendigen Informationen über das all requisite information about the poten- Potenzial von Forschung in der Schwere- tial of research in microgravity. GoSpace losigkeit� Sie übernimmt die Funktion acts as a bridge-building activity bringing eines Brückenbauers zwischen Raumfahrt together astronautics and industry, always with a focus on the individual company’s benefit. What outcomes can a manufac- turer of bone implants expect? What

76 Deutsche Forschung im all > Industrieforschung im Weltraum German Research in Space > Industrial Research in Space

und Industrie� Dabei steht der individuelle nutzen der Firma im Vordergrund: Welche ergebnisse kann ein Hersteller von Knochenimplantaten erwarten? Welche Vorteile kann ein Unternehmen durch thermophysikalische Untersuchun- gen von metalllegierungen erlangen? antworten auf diese Fragen lassen sich nur individuell erarbeiten� Das GoSpace- team gibt der forschenden Industrie hierzu orientierungshilfen und konkrete Handlungsempfehlungen� benefits may a company obtain by inves- Für Wirtschaftsunternehmen lassen sich tigating the thermo-physical properties „Brücken in den Weltraum“ nur bauen, of metal alloys in space? answers to wenn Hemmnisse bei Vorbereitung, these questions can be given only on a experimentdurchführung und auswer- case-by-case basis. DlR’s experienced tung beseitigt werden� Interessierte GoSpace team provides research-based Firmen können dem DlR Raumfahrt- companies with highly relevant guidance management und GoSpace Projekte and recommendations. vor schlagen oder sich beraten lassen� Jeder industrielle Vorschlag wird fallspe- a business company can only build a zifisch mit dem Ziel begutachtet, den “bridge to space” after all obstacles ham- jeweils optimalen Weg für das Unterneh- pering the preparation, implementation men zu finden und umzusetzen� mögli- and evaluation of experiments have been che missionsmodelle und experiment- moved out of the way. assistance is pro- abläufe werden mit dem Unternehmen vided by DlR’s Space administration and diskutiert und notwendige Kooperatio- the GoSpace team when contacted by nen mit Wissenschaftlern ins leben geru- companies with an enquiry about a fen� Der nutzer erhält durch GoSpace potential project. each industrial proposal Zugriff auf das erforderliche Know-how� is reviewed specifically, the objective auch die finanziellen Rahmenbedingun- being to find and implement the best gen werden analysiert: Wie könnte eine possible approach for the company in Kofinanzierung der Flug- und Betriebs- question. options concerning mission kosten durch Raumfahrtmanagement models and experiment procedures are und Unternehmen aussehen? Welche discussed, and cooperation with scien- Fördermittel stehen zur Verfügung? tists is initiated as required. GoSpace

Das Unternehmen hat in allen Phasen Gelegenheit, auf Grundlage aktueller ergebnisse und Projektfortschritte zu entscheiden, ob, wann und in welcher Form der nächste Schritt unternommen werden soll� Seit 2002 folgen Firmen der verschiedensten Branchen dem angebot

77 des DlR Raumfahrtmanagements, Zugang gives its users access to the knowledge zu Versuchen in der Schwerelosigkeit zu they need. Financial conditions will be erhalten� Interessante Beispiele kommen analysed as well: what co-funding could sowohl aus Feldern der „klassischen“ be arranged between DlR Space admin- Forschung unter Weltraumbedingungen, istration and the company to cover flight wie materialforschung und Humanphy- and operating costs? What state grants siologie, als auch aus anderen Bereichen might be available? wie etwa der Pharmazie und der nano- technologie� Die industrielle nutzung der In all phases of a project the company ISS lässt sich mit der Fertigstellung der can decide on the basis of current results Raumstation ausweiten� and progress whether, when, and in what form the next step is to be taken. Deutschland hat den größten nutzungs- Since 2002, companies from a wide anteil in europa, der nicht nur der Wis- range of industries have followed the senschaft, sondern auch der forschenden offer of DlR Space administration to Industrie zugute kommen soll� Für For- consider the option of seeking access to scher aus der nichtraumfahrtindustrie ist experiments in microgravity. There have das experimentieren in Schwerelosigkeit been interesting examples not only from Während der Astrolab-Mission führte der neuland, das erobert werden muss� Die ‘established’ fields of research in a micro- ESA-Astronaut Thomas Reiter auch das Expe- Initiative GoSpace hilft, diese Herausfor- gravity environment, such as materials riment Skin Care im Rahmen der GoSpace- derung zu meistern� Im besten Fall kann research and human physiology, but also Initiative durch sie eine umfassende nahtstelle zwischen from other sectors, such as pharmacolo- Industrieforschern und der Raumfahrt sein� gy and nanotechnology. Regarding the During the Astrolab mission, the ESA astronaut Thomas Reiter accomplished the Skin GoSpace hat mögliche themen bereiche utilisation of the ISS, Germany holds the Care experiment – a part of the GoSpace der industriellen Forschung in der Schwe- greatest part of the european countries. initiative relosigkeit analysiert� erfolg verspricht This advantage should be used for indus- etwa in den materialwissenschaften die try doing science as well as for the pro- Untersuchung der thermophysikalischen gramme Research under Space Condi- eigenschaften von Stahllegierungen, nano- tions. This kind of research may be quite und Partikeltechnologien und die energie- new for scientists working for the non und Verbrennungsforschung� In den space flight industry. GoSpace helps lebenswissenschaften sind die Knochen- to force this challenge. at the best, the demineralisierung und osteoporosefor- initiative could be a junction between schung, die Haltbarkeit von Implantaten, industry and space flight. GoSpace has telemedizin sowie die Proteinkristallisati- analysed all of the possible topics in on zur arzneimittelentwicklung von Inte- industrial research in microgravity. In resse� materials science, the research of ther- mophysical attributes of ferrous alloys, nano and particle technologies and the energy and combustion research should be successful fields in future. For life science, research of osteoporosis, the durability of implants, the telemedicine and the crystallisation of proteins to design drugs are quite interesting.

78 Schülerexperimente auf der ISS Student experiments on the ISS nachwuchsförderung spielt auch bei der The promotion of young researchers also Forschung auf der ISS eine Rolle: So hat plays a part in the labs of the ISS. acting das DlR Raumfahrtmanagement im auf- on behalf of the Federal Government, trag der Bundesregierung seit dem Jahr DlR Space Management began in 2002 2000 mehrere experimente zur ISS für to arrange for a number of experiments Schülerinnen und Schüler aller altersklas- to be conducted on the ISS for the bene- sen und aller Schulformen organisiert und fit of students of all age groups and war über einen Schülerwettbewerb an school categories. It also held a student missionen zur Internationalen Raumstati- contest for contributing a research mis- on beteiligt� Im april 2004 konnten auf sion to the International Space Station. einladung der niederlande mit Unterstüt- at the invitation of the netherlands and zung der eSa in deutschen Grundschu- with eSa’s support, around 80,000 pupils len rund 80�000 Schüler am experiment from German primary schools were able „Seeds in Space“ des eSa-astronauten to take part in the Seeds in Space experi- andre Kuipers teilnehmen� Deutsche Uni- ment run by eSa astronaut andré Kuipers versitäten unterstützten die lehrer� in april 2004. German universities offered teacher support. Zwei Jahre später ermöglichten die eSa und das DlR im Herbst 2006 allen deut- Two years later, in the autumn of 2006, schen weiterführenden Schulen mit den eSa and DlR offered 5th and 6th formers Klassen 5 und 6 die teilnahme am „oil from all German secondary schools an emulsion experiment“� Dieses experiment opportunity to participate in the ‘oil wurde von dem deutschen astronauten emulsion experiment’ implemented by thomas Reiter im Rahmen der astrolab- German eSa astronaut Thomas Reiter on mission auf der ISS sowie parallel auf der the ISS as part of the astrolab mission erde in den Schulklassen umgesetzt� and, simultaneously, in classrooms on earth. „tracking the ISS – ihr Weg ist euer Ziel“ steht für ein außergewöhnliches mathe- “Tracking the ISS – its path is your aim” matisches experiment, zu dem 2006/2007 was the title of an unusual mathematical alle Schüler ab der 10� Klasse eingeladen experiment which all students from the waren: mit Hilfe der triangulations- 10th form on up were invited to join in methode sollten sie die aktuelle Position 2006/07: the assignment was to deter- der ISS möglichst exakt bestimmen� 99 mine the current position of the ISS as Schüler aus allen teilen Deutschlands precisely as possible by triangulation. In wurden im September 2008 zum „Space September 2008, 99 entrants were invit- triangulation Symposium“ eingeladen, ed to Berlin’s Space Triangulation Sym- um ihr Projekt in Berlin vorzustellen und posium to present their studies before a bewerten zu lassen� Die aus Wissen- jury. Composed of experts and educa- schaftlern und Pädagogen bestehende tionalists, the jury was impressed by the Jury war von dem hohen niveau vieler high academic standard of many of the Untersuchungen überrascht und kürte studies. It elected three winners. The jury drei Sieger� Zudem wurde ein Sonder- also awarded a special prize in electronics. preis elektronik verliehen�

79 80 DIe ISS Im ZeItRa FFeR The ISS In FaST MoTIon

81 Vergangenheit The past

Die ersten The early Raumstationen Space Stations

am 19� april 1971 brachte die Sowjet- on april 19, 1971, the Soviet Union union mit SalJUt 1 ihre erste orbitalsta- launched its first orbital station, SalYUT 1, tion in den Weltraum� Ihr gelang damit marking the successful completion of a ein bedeutender Schritt hin zu einer per- major step towards establishing man manenten Präsenz des menschen im permanently in orbit around earth. In erdorbit� mit SalJUt 6 wurde 1977 die 1977, SalYUT 6 followed, representing nächste Generation von Raumstationen the next generation of space stations gestartet� mit einem zweiten andockring which, equipped with a second docking für Versorgungsschiffe ausgestattet, port for supply ships, could remain much konnte sie wesentlich länger im all blei- longer in space. From august 27 to Sep- ben� Vom 27� august bis 3� September tember 3, 1978, Sigmund Jähn was the 1978 arbeitete hier Sigmund Jähn im first German cosmonaut to work on Rahmen der InteRKoSmoS-Kooperation SalYUT 6 under the InTeRCoSMoS zwischen der DDR und der UdSSR als cooperation between the GDR and the erster deutscher Kosmonaut� Im april USSR. In april 1982, SalYUT 7 was 1982 folgte SalJUt 7, auf der sich zwei launched, where two months later, Jean- monate später der Franzose Jean-loup loup Chrétien, a Frenchman, became Chrétien als erster westlicher Kosmonaut the first astronaut from the West to stay an Bord einer sowjetischen Raumstation on board a Soviet space station. aufhielt� Meanwhile, a third generation of space In der Sowjetunion wurde währenddes- stations was being designed in the Soviet sen die dritte Generation von Raumsta- Union, embodied in the multi-modular tionen konzipiert, die schließlich am 20� space laboratory MIR, which was finally Februar 1986 erfolgreich in einen orbit launched into orbit on February 20, 1986 auf ungefähr 300 Kilometer Höhe at an altitude of about 300 kilometres. gebracht wurde: das multi-modulare With its five research segments that were Raumlabor mIR� mit seinen fünf For- later docked on to the base module, it reached a mass of more than 120 tons. Designed for a life of twelve years, it actually lived far beyond the collapse of the leading power of the east. hanging on after the end of the Cold War until its final controlled crash on March 23, 2001, MIR offered scientists from the West as well as from the east opportunities to conduct long-term research in space. The first countermove of the USa was SKYlaB. Installed in the third stage of the last SaTURn V ever launched, it offered a crew of three an opportunity to stay on board three times for a total of 171 days in 1973 to conduct scientific and technical experiments in solar and comet research, materials science, medicine, pharmacology, earth observation, meteorology, biology, and chemistry.

82 Die ISS im Zeitraffer > Vergangenheit The ISS in Fast Motion > The past

schungssegmenten, die später an das Basismodul angekoppelt wurden, erreich- a Space Station te die mIR eine masse von über 120 tonnen� nach der Überwindung des Kalten of the West Kriegs bot sie bis zu ihrem kontrollierten absturz am 23� märz 2001 auch west- In the 1980s, naSa was looking for lichen Wissenschaftlern die Chance zur ways to prolong the crew’s orbital expe- langzeitforschung im all� Die USa hat- rience in astronautics, new scientific ten dem zunächst SKYlaB entgegenge- experiments, and commercial applica- setzt� eingerichtet in der dritten Stufe der tions. In addition, a space station owned letzten gestarteten SatURn V bot die by the Western nations was conceived as einzige US-amerikanische Station 1973 symbolising peaceful cooperation as well dreimal einer dreiköpfigen Besatzung ins- as the technological dominance of the gesamt 171 tage aufenthalt für wissen- “free world” at a time when the nuclear schaftliche und technische experimente arms race was exacerbating the political in den Bereichen der Sonnen- und Kome- confrontation between east and West. tenforschung, materialkunde, medizin on January 25, 1984, president Reagan und Pharmazie, erdbeobachtung, meteo- commissioned the naSa to develop a permanently-manned space station that Die erste Idee für eine „Raumwarte“ im All rologie, Biologie und Chemie� hatte der Raumfahrttheoretiker Hermann was to be used for scientific and industri- Noordung 1929 in seinem Buch „Das Problem al research as well as for the production der Befahrung des Weltraums“ skizziert� Sie of special materials and medicines There- diente 40 Jahre später Stanley Kubrick als fore, the USa invited their partners Vorlage für seinen Kultfilm „2001: A Space eine Raumstation Odyssey“� Canada, Japan and europe. It was to des Westens be launched in 1992, the jubilee year of The idea of a “space observatory” was first the rediscovery of america by Christo- proposed by space-travel theorist Hermann pher Columbus. Noordung in his 1929 book “The problem of In den neunzehnhundertachtzigerjahren travelling in space”. 40 years later, Stanley suchte die naSa längerfristige astronau- Kubrick developed from it his cult movie The new large-scale space programmes tische erfahrungen im orbit sowie wis- 2001: A Space Odyssey. senschaftliche experimentiereinrichtun- in Western europe were dominated by gen und kommerzielle einsatzmöglich- Germany, Italy, and France. France con- keiten� am 25� Januar 1984 beauftragte centrated on developing aRIane 5 from US-Präsident Ronald Reagan die naSa the european launcher and designing a mit der entwicklung einer dauerhaft manned european orbital glider to be besetzten Raumstation für Wissenschaft named heRMeS. Germany focussed on und in-dustrielle Forschung sowie für die ColUMBUS together with Italy. Those Herstellung von besonderen Werkstoffen expected all this to provide a boost to und arzneien� Hierzu luden die USa ihre technological development because of Partner Kanada, Japan und europa ein� the unprecedented requirements that Geplanter Start war 1992, das Jubilä- would have to be met with regard to the umsjahr der Wiederentdeckung amerikas reliability, precision, and controllability of durch Christoph Columbus� complex technical systems. engineers and re searchers were looking forward to powerful impulses in the fields of auto- Insbesondere Deutschland, Italien und Am 19� April 1971 wurde die erste Raumstati- Frankreich, welche die neuen Großvorha- mation and robotics, materials research, on SALJUT 1 gestartet� Die letzte Raumstati- ben der westeuropäischen Raumfahrt process and production technology, data on dieser Serie war SALJUT 7 (im Bild)� processing, and telecommunications. bestimmten� Frankreich konzentrierte The first space station, SALYUT 1, was sich auf die Weiterentwicklung der trä- In 1985, the eSa Council of Ministers, launched on April 19, 1971. The last space gerrakete zur ariane 5 sowie auf die station in the series was SALYUT 7 (shown Konzipierung des bemannten Raumglei- meeting in Rome, approved europe’s in picture). ters HeRmeS� Deutschland legte mit Itali- contribution towards the american space en den Schwerpunkt auf das ColUm- station. The conditions that would govern BUS-Programm� Die Verantwortlichen

83 erhofften sich einen technologieschub europe’s participation were negotiated aufgrund bisher nicht gekannter anfor- during subsequent european-american derungen an Zuverlässigkeit, Präzision talks. When the eSa Council of Ministers und Beherr schbarkeit komplexer techni- met next at The hague in 1987, the scher Systeme� Starke Impulse erwarte- european Ministers endorsed the ten die Ingenieure und Forscher vor ColUMBUS programmes and approved allem in der automation und Robotik, another three-year phase of preparation. der materialforschung, Verfahrens- und at the time, the objective was to launch Fertigungstechnik, der Datenverarbeitung ColUMBUS on aRIane 5. according to und der telekommunikation� plan, europe’s contribution towards the International Space Station now included 1985 beschloss der eSa-ministerrat in a module firmly docked to the core sta- Rom die europäische Beteiligung an der tion, a temporarily manned free-flying amerikanischen Raumstation� auf dem laboratory, an unmanned research plat- eSa-ministerrat in Den Haag 1987 wurde form in a polar orbit, and a data relay das ColUmBUS-Programm von den satellite. Das amerikanische Weltraumlabor SKYLAB bot 1973 dreimal einer dreiköpfigen Besat- europäischen Fachministern bestätigt zung insgesamt 171 Tage Aufenthalt für wis- und eine weitere, dreijährige Vorberei- While the spacestation programme was senschaftliche und technische Experimente tungsphase verabschiedet� Ziel war damals, growing apace in europe, more and ColUmBUS mit ariane 5 zu starten� Der more problems arose in the USa: on the On three occasions in 1973, the American europäische Beitrag zur Internationalen one hand, delays were caused by the SKYLAB space laboratory accommodated crews of three for a total of 171 days of sci- Raumstation sollte aus einem fest mit der complicated annual negotiations about entific and technical experiments Kernstation verbundenen modul, einem the budget in Congress. on the other, zeitweilig bemannbaren, frei fliegenden further delays were caused by differences labor, einer polaren, unbemannten For- of opinion about whether the space sta- schungsplattform und einem Datenrelais- tion should be a research laboratory or Satelliten bestehen� an orbital “way station“ for the future astronautical exploration of space. Most Während das Raumstationsprogramm in important of all, the loss of the Challenger europa wuchs, gab es in den USa zuneh- space shuttle on January 28, 1986 mend Probleme: Zum einen führten die stretched the time required to implement komplizierten jährlichen Budgetverhand- the programme by several years. at least, lungen im Kongress zu Verzögerungen� the station was given its first, politically Zum anderen sorgten die unterschiedli- motivated name in 1987: FReeDoM. chen auffassungen über den Charakter der Raumstation als Forschungslabor There were many reasons why an inter- Deutschlands erster Kosmonaut im Weltall: oder als orbitaler „Bahnhof“ für die national space station was a difficult Sigmund Jähn astronautische erforschung des Welt- undertaking, for it constituted an entirely raums für Verzug� Vor allem aber der novel problem in cooperation within the Germany’s first cosmonaut in space: Verlust des Space Shuttle Challenger community of nations. partner states had Sigmund Jähn am 28� Januar 1986 streckte die zeitliche to agree not only on a technological Umsetzung des Programms um mehrere concept and the way in which the sta- Jahre� 1987 wurde der Station immerhin tion was to be used but also on a legal ein erster, politisch motivierter name framework. Regulations covering these gegeben: FReeDom (Freiheit)� Das Unter- questions were encoded in an intergov- fangen einer internationalen Raumstation ernmental agreement in 1988. Called a war nicht einfach, denn sie bedeutete “treaty without precedent”, it is one of etwas gänzlich neues für die Zusammen- the most voluminous documents in international cooperation. among other

84 Die ISS im Zeitraffer > Vergangenheit The ISS in Fast Motion > The past

Links: Entwurf des europäischen Raumgleiters HERMES arbeit in der Völkergemeinschaft� Die things, it sets out that research shall be Mitte: Die Raumsstation MIR zog vom 19� Partnerstaaten mussten sich nicht nur free, and that the station shall be used Februar 1986 bis zum 23� März 2001 mehr als auf ein technologisches Konzept und die for peaceful purposes by agreement. 15 Jahre lang ihre Bahnen im Orbit nutzung der Station, sondern auch über Rechts: Alan Chinchar‘s Zeichnung der vollen- den rechtlichen Rahmen einigen� 1988 deten US-Raumstation FREEDOM (1991) wurden diesbezügliche Regelungen in einem internationalen Regierungsabkom- east and West in Left: The European HERMES orbital glider as men festgeschrieben� es wurde als „Ver- a draft trag ohne Vorbild“ bezeichnet und zählt Space together Middle: Between February 19, 1986, and zu den umfangreichsten Dokumenten March 23, 2001, the MIR space station orbit- der internationalen Zusammenarbeit� Die as the Cold War between east and West ed Earth for more than 15 years Freiheit der Forschung und die Verständi- ended, the political importance of keep- Right: Alan Chinchar’s drawing of the com- gung auf die friedliche nutzung der Sta- ing the space station a purely Western pleted FREEDOM US space station (1991) tion wurden dort verankert� affair dwindled. Cooperation supplanted competition. In 1993, the USa invited Russia to participate in the International Space Station programme. The other ost und West partner countries assented to this proposal in 1994, for it promised many gemeinsam im all advantages: Russia led the world by a wide margin in terms of its experience in mit der Überwindung des Kalten Kriegs designing, building, and managing space schwand auch die politische Bedeutung stations. Moreover, there were engineers einer rein westlichen Raumstation� in Russia who, highly experienced in sen- Kooperation ersetzte Konkurrenz� Russ- sitive fields such as rocket technology land wurde 1993 von den USa eingela- but lacking employment, threatened to den, sich am Programm einer internatio- emigrate to third countries, such as Iran, nalen Raumstation zu beteiligen� Dem Iraq, or China, an eventuality which cer- stimmten 1994 auch die anderen Partner tainly did not suit the security interests of zu, denn dies versprach viele Vorteile: Russland hatte mit abstand die meiste erfahrung bei Konstruktion, errichtung und management von Raumstationen� Schließlich würde ein weiterer Partner

85 die Kosten auf mehr Schultern verteilen – the West. Finally, another partner would etwa durch die Bereitstellung der trä- offer another shoulder to bear the finan- gersysteme Sojus und Proton� In den cial burden by, for instance, providing neunzigerjahren nutzten die Partner- the Soyuz and proton launchers. as an staaten zudem die russische Raumstation added benefit, the Russian space station, mIR, um auf zahlreichen missionen die MIR, was used by the partner states in gemeinsame arbeit im Weltraum zu trai- the 1990s to train astronauts in working nieren� together in space.

Die Kosten für die neuen Vorhaben stie- The cost of the new projects was grow- gen – ebenso die technologischen Pro- ing, as were the technological problems bleme bei HeRmeS, dessen Realisierung besetting heRMeS, which had to be 1993 abgebrochen wurde� Dies, die Welt- abandoned in 1993. Together with the wirtschaftskrise zu Beginn der neunziger- worldwide economic crisis in the early jahre und der Beitritt Russlands zur – nun 1990s and the participation of Russia in politisch unverfänglicher alPHa oder ISS the International Space Station project, genannten – Internationalen Raumstation now given the politically more innocuous bedingte eine grundlegende Umkonzi- name of “alpha” or “ISS”, this called for pierung� Durch den ausfall von HeRmeS a fundamental reformulation of the con- hätte das frei fliegende europäische cept. labor nicht mehr gewartet werden kön- nen; es wurde nicht verwirklicht� now that heRMeS had been abandoned, the free-flying european laboratory could Das angedockte labor europas, das in no longer be serviced, so it was cancelled der Folge den namen des gesamten as well. Furthermore, the docking euro- europäischen Programms ColUmBUS pean laboratory, now called by the name erhielt, wurde aufgrund neuer amerikani- formerly used to designate the entire scher Pläne verkleinert� Die polare Platt- european programme, ColUMBUS, was form hingegen wurde aus dem europäi- reduced in size to suit new american schen Programm ausgeklammert und auf plans. The polar platform, on the other ihrer Basis der komplexe Umweltsatellit hand, was detached from the european enVISat (Start: 2002) gebaut� programme and used as a basis for building the complex environmental satellite 1995 nahm der eSa-ministerrat in tou- enVISaT, which was launched in 2002. louse den europäischen Raumtransporter atV (automated transfer Vehicle) zum In 1995, the eSa Council of Ministers, transport von nutzlasten zur ISS in das meeting in Toulouse, voted to include Programm auf� mit dem Start der atV the european orbital transfer vehicle aTV wurde ab 2008 der europäische teil der in the programme to transport payloads Betriebskosten gedeckt� Diese konzeptio- to the ISS. From 2008 onwards, aTV nellen Umstellungen und die neue welt- launches will cover europe’s share in politische Situation in den neunzehn- the cost of operation. hunderteunzigerjahren waren für eine weitere zeitliche Streckung des Programms Because of these concept changes and verantwortlich� Die astronautische Raum- the new geopolitical situation that arose fahrt verlor in diesem Zusammenhang an in the 1990s, the timeframe of the pro- strategischer Bedeutung für die europäi- gramme was stretched further. In the process, manned spaceflight lost some of its strategic importance for the autono- my of europe, becoming instead a field for international cooperation. By the same token, the station became an important element in east-West relations,

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Bild links: Am 28� Januar 1986, 73 Sekunden nach dem Start der Mission STS-51-L, zer- brach die Raumfähre Challenger in rund 15 Kilometer Höhe� Es war der bis dahin sche autonomie und wurde zu einem a stabilising factor between the old schwerste Unfall in der Raumfahrtgeschichte Feld internationaler Kooperation� superpowers, and a means to defuse der USA� tension. 1997 unterzeichneten eSa und naSa ein Bild rechts: Trümmerfeld nach Columbia- Unglück: Die Raumfähre befand sich auf der Grundsatzabkommen, wonach europa according to a statement of principle Rückkehr von ihrer 28� Mission (STS-107), als zusätzliches Gerät wie zwei Verbindungs- signed by eSa and naSa in 1997, europe sie am 1� Februar 2003 gegen 9 Uhr Ortszeit knoten für die Stationsmodule und will supply additional equipment to the in circa 60 Kilometer Höhe auseinanderbrach� laborgeräte an die USa liefern sollte� USa, including laboratory systems and Ursache war eine Überhitzung des Tragflä- Im Gegenzug wurde für ColUmBUS ein two nodes to connect the stations’ mod- cheninneren, hervorgerufen durch ein Loch im Hitzeschild, welches durch ein beim Start Platz im Space Shuttle reserviert� ein Ver- ules. In return, the USa agreed to launch abgerissenes Schaumstoffteil verursacht trag mit Russland regelte die zollfreie ColUMBUS on a space shuttle. a treaty wurde� ein- und ausreise von Gütern im Rahmen concluded with Russia provided for the der ISS-Zusammenarbeit sowie die liefe- duty-free entry and exit of goods within Left picture: On January 28, 1986, 73 seconds rung eines europäischen Roboterarms the framework of the ISS cooperation as after the take-off of mission STS-51-L, the Challenger space shuttle disintegrated at an und eines Datenmanagement-Systems well as for the delivery of a european altitude of around 15 kilometres. It was the für das russische ISS-Segment� auch mit robot arm and a data management sys- gravest accident in the history of American Japan vereinbarte die eSa den austausch tem for the Russian ISS segment. another astronautics to date. von Hardware� agreement on the exchange of hardware Right picture: The wreckage of the Columbia: was concluded with Japan. the space shuttle was on its way back from am 29� Januar 1998 trafen sich die ver- its 28th mission (STS-107) when it broke antwortlichen minister der Partnerstaaten apart on February 1, 2003 at approximately 9 in Washington, um der ISS mit der o’clock local time at an altitude of c. 60 kilo- Unterzeichnung eines neuen Regierungs- metres. The interior of one wing had over- heated because the heat shield had been übereinkommens den völkerrechtlichen punctured by a fragment of foamed plastic Rahmen zu geben� mehr als das abkom- torn off during the launch. men von 1988 basierte es auf dem Grundsatz gleichberechtigter Partner- schaft� Die Führung der USa bei Kons- truktion und Bau wurde jedoch fortge- schrieben� Gegenüber 1988 hatte sich die Station grundlegend verändert� Ihre Konfiguration sollte nach abschluss der

87 aufbauarbeiten aus über hundert Kom- on January 29, 1998, the ministers ponenten bestehen und ein Innenvolu- responsible in the partner states met in men vergleichbar dem eines Jumbo-Jets Washington to sign a new intergovern- besitzen� Darunter befinden sich sechs mental agreement so as to provide a Forschungslabore (zwei aus den USa, basis in international law for the ISS. zwei aus Russland, eines aus europa und While it gave more emphasis to the eines aus Japan) und vier Versorgungs- principle of equal partnership than the module� Für außenbordaktivitäten sollen agreement of 1988, the USa retained its drei Roboterarme zur Verfügung stehen� leading role in design and building. The station now fundamentally differed from mit dem Start des russischen moduls that envisaged in 1988. When finished, Sarja (morgenröte) am 20� november its configuration was to include more 1998 vom russischen Weltraumbahnhof than 100 components, and its interior in Baikonur begann die intensivste Flug- volume would be approximately that of a phase in der Geschichte der Raumfahrt� jumbo jet. It will incorporate six research Das Unglück des amerikanischen Space laboratories (two american, two Russian, Shuttle Columbia am 1� Februar 2003 one european, and one Japanese) and führte jedoch erneut zu einer Verzöge- four service modules. Three robot arms rung von über drei Jahren und einer will be available for extra-vehicular activi- deutlichen Reduzierung der geplanten ties (eVas). Shuttle-Flüge� Die erfolgreiche Wieder- aufnahme der Flüge im Sommer 2005 The launch of the Russian Zarya (dawn) sicherte den weiteren aufbau der Raum- module on november 20, 1998 at station� Die letzte Shuttle-mission (StS- Baikonur rang in the most intense flight 135) ist für Juni 2011 geplant und wird activities in the history of space flight. das „Space transportation System“ however, the destruction of the american (StS)-Programm abschließen� Die Raum- space shuttle Columbia on February 1, fähre atlantis, die bereits das europäi- 2003 caused yet another delay of more sche Raumlabor ColUmBUS zur Raum- than three years as well as a marked station brachte, beendet die Ära der cutback in the number of shuttle flights Shuttle-Flüge� Die russische Sojus-Kapsel scheduled before their termination in erhält den bemannten transport zur ISS 2010. now that shuttle flights have been aufrecht� successfully resumed in the summer of 2005, the further construction of the space station appears secure. In June 2011, the last Shuttle (STS-135) will take off to complete the last mission of the “Space Transportation System” (STS) programme. atlantis – the shuttle which has carried the european laboratory ColUMBUS to the ISS – will finish the age of the shuttle flights. The Russian Soyuz capsule will ensure the manned transport to the ISS.

88 Die ISS im Zeitraffer > Zukunft Zukunft The ISS in Fast Motion > The Future The Future mit der ISS bis 2020 im all

Am 30� November 2010 verabschie- dete die Bundesregierung die Deut- sche Raumfahrtstrategie� In ihr wird die Nutzung der ISS bis mindestens zum Jahr 2020 festgeschrieben� Auf der Raumstation werden also aus technischer Sicht noch mindestens zehn Jahre lang regelmäßig bis zu sechs Astronauten aus den beteiligten Partnerländern im Routinebetrieb arbeiten können� Um eine vollstän- dige Besatzung bis 2020 sicherzustel- len, trainiert die ESA bereits jetzt eine neue Generation europäischer Astronauten� Deren Grundlagentrai- ning wurde offiziell im November 2010 abgeschlossen� Für die Menschen im All: Die neue Raum- fahrtstrategie betont vor allem die Möglich- Die Deutsche Raumfahrtstrategie betont keiten für weitere Fortschritte in Wissen- vor allem die möglichkeiten für weitere In Space on the schaft und Spitzentechnologie Fortschritte in Wissenschaft und Spitzen- technologie und nutzen für den men- For mankind in space: The new space strate- ISS until 2020 gy prominently stresses opportunities of schen auf der erde� ein einheitlicher making further progress in science and Rechtsrahmen und ein damit verbunde- On November 30, the Federal Gov- advanced technology nes deutsches Raumfahrtgesetz sollen ernment adopted Germany’s new die notwendige Planungssicherheit für space strategy. This document stipu- die kommenden Jahre gewährleisten� lates the exploitation of the ISS until auch sollen Regelungen auf europäischer 2020. From a technical view, up ebene erreicht werden, die allen an der to six astronauts will be routinely Raumfahrt beteiligten nationen die glei- employed for at least ten years on chen Wettbewerbschancen einräumen the space station. To provide for a und damit eine tragfähige Basis für die full complement until 2020, ESA is zukünftige Rollenverteilung in der euro- already training a new generation päischen Raumfahrt bilden� of European astronauts. Their basic training was officially completed in Für Deutschland legt die neue Raum- November 2010. fahrtstrategie die unabhängige leitlinie in den Bereichen Forschung unter Welt- The German space strategy prominently raumbedingungen, Bau und Betrieb von stresses opportunities of making further Raumfahrzeugen, erschließung neuer progress in science and advanced tech- märkte sowie Raumfahrt für zivile und nology and the benefit for the people on militärische Sicherheit fest� Dabei stehen earth. The creation of a single regulatory die wissenschaftliche und die anwen- framework, which includes preparing a dungsbezogene Raumfahrt in einem aus- German space-flight bill, will provide the gewogenen Verhältnis zueinander� Vor- legal certainty required in planning for aussetzung dafür sind eine technologische the years to come. The ultimate objective Selbstständigkeit und ein ungehinderter will be to establish common rules at the Zugang zu Raumtransportsystemen�

89 Im Jahr 2010 haben die am ISS-Pro- european level which create identical gramm beteiligten Raumfahrtagenturen competitive opportunities for all space ihre Kooperation im ISS-Projekt bekräf- nations, forming a sound foundation tigt und die Bedeutung der ISS für die for the future distribution of roles in Forschung unter Schwerelosigkeit unter- european space flight. strichen� In Zukunft werden die arbeiten auf der Station zu einem Prüfstein für Furthermore, the new space strategy fea- stärker integrierte, internationale Be- tures an autonomous guideline in the triebs- und Forschungstätigkeiten� Die topics research under space conditions, Raumfahrtagenturen ebnen damit den the construction and operation of space Weg für eine umfassendere Zusammen- vehicles, the development of new mar- arbeit bei künftigen internationalen mis- kets, and the role of astronautics in civil- sionen� Die beteiligten nationen sind sich ian and military security. In the context einig, dass der Beschluss zur Betriebsver- of space flight, there must be a balance längerung und verstärkten nutzung den between science- and application-orient- Partnern erlaubt, mit neuen modellen ed space technologies which, in turn, is Bis zum Jahr 2020 werden auch weiterhin eines international besser verzahnten predicated on technological independ- Astronauten – wie hier Hans Schlegel im Betriebs und einer integralen Forschung ence and unhampered access to space Weltraumlabor COLUMBUS – auf der ISS „zu experimentieren“� So soll der Weg transport systems. forschen für eine ausgeweitete Zusammenarbeit bei zukünftigen missionen vorbereitet In 2010, the space agencies involved in Until 2020, astronauts – like the German astronaut Hans Schlegel in the COLUMBUS werden� Dabei diskutieren die Partner the ISS programme affirmed their coop- laboratory – will proceed research on the ISS auch, wie mit den zur Verfügung stehen- eration on the ISS project. They under- den mitteln eine bessere effizienz in nut- lined the meaning of the ISS in the con- zung, Betrieb und transport von astro- text of science under space conditions. In nauten sowie Fracht erreicht werden kann� future, the work at the space station will become a criterion for more integrated Von explorationsmissionen, die den international use and science in space. Weltraum „in situ“ erforschen, geht For this reason, the space agencies stets eine besondere Faszination aus� smooth the way for a widespread coop- Vom Vorstoß in den Weltraum erhofft eration in further international missions. sich der mensch neue antworten auf die The involved nations agree that the deci- Frage nach dem Ursprung des lebens, sion to extend the exploitation of the ISS nach dem „Woher“ und „Wohin“ der and the strengthened use allows the menschlichen existenz� Das gilt gleich- partners to experience with new models ermaßen für bemannte missionen im of an international more integrated use erdnahen Raum – etwa auf der Interna- and an integral science. That way, the tionalen Raumstation – wie auch für track to a better cooperation in further weiter führende, robotische missionen missions should be prepared. For this reason, the partners discussed about to advance the performance of use, exploitation and transport of astronauts and cargo.

Missions which explore the orbit “in situ” always fascinate the people. From the approach in space, mankind expects new answers to the questions of the origin of life and the human existance: Where do we come from? Where will we be going? This concerns manned missions in the orbit next to earth – for example on

90 Die ISS im Zeitraffer > Zukunft Das System Internationale Raumstation > The ISS in Fast Motion > The Future Das System Internationale Raumstation >

bis in die tiefen des Weltalls� Die bemann- the ISS – and continuative robotic mis- „Die bemannte Raumfahrt wird sich te Raumfahrt wird sich für mindestens sions beyond the deep space. For at least noch für mindestens zehn weitere zehn weitere Jahre auf die Internationale the next ten years, manned space flight Jahre auf die Internationale Raumsta- Raumstation konzentrieren� will have to focus on the International tion konzentrieren� Daher wird die Space Station. ISS in konsequenter und bewährter es sind gerade die technischen und wis- arbeitsteilung mit unseren Partnern senschaftlichen erkenntnisse sowie die especially the technical and scientific im mittelpunkt der wissenschaftlichen erfahrungen im Betrieb der Raumstation, awareness and the experience in the Forschung unter Weltraumbedingun- die die Grundlage für explorationsmissio- exploitation of the ISS are the basis for gen stehen� Hier gilt es, innerhalb der nen über den erdorbit hinaus bilden� exploration beyond the orbit of earth. bestehenden Strukturen und Ver- eine wichtige aufgabe der Raumstation an important task in case of the space pflichtungen den bestmöglichen nut- soll es sein, bei der Vorbereitung von station may be to prepare exploration zen aus den europäischen Investitionen explorationsmissionen durch gezielte in order to conduct systematic techno- zu ziehen� Über mögliche Folgeaktivi- technologie-experimente und -demonst- logical experiments and demonstrations täten wird auf der Grundlage einer rationen sowie wissenschaftliche Unter- as well as scientific analysis. umfassenden Bewertung des ISS- suchungen zu unterstützen� Betriebs in einigen Jahren unter Kos- however, the budget situation confronts ten-nutzen-aspekten zu entscheiden allerdings steht die internationale Raum- european space flight and especially sein� Denn auch die Projekte der fahrt – insbesondere die bemannte crewed missions with great challenges. exploration müssen sich daran mes- Raumfahrt – aufgrund angespannter International competition will increase, sen lassen, welchen Beitrag sie zur Haushalte vor großen Herausforderun- for strategic paradigms have already lösung der gesellschaftlichen Heraus- gen� Der internationale Wettbewerb in changed. In the last few years, space forderungen leisten�“ (aus der Raum- der Raumfahrt wird zunehmen, denn flight has changed from the scientific fahrtstrategie der Bundesregierung) ein Paradigmenwechsel hat bereits auf symbol of the race of technology to an strategischer ebene stattgefunden� Die instrument for solving social and global “Crewed missions will, for at least Raumfahrt hat sich in den vergangenen challenges like climatic change or pre- another ten years, concentrate on the Jahren vom wissenschaftlich geprägten ventive safety methods. International Space Station. Conse- Symbol des technologiewettlaufs hin quently, the ISS will remain the hub zu einem Instrument der Bewältigung Based on this idea, the German space of scientific research under micro- gesellschaftlicher Probleme und globaler policy and its implementation have to gravity conditions, with the work Herausforderungen wie beispielsweise focus on certain targets. This means the being shared equally and consistently Klimawandel und Sicherheitsvorsorge strategic extension of the national com- between ourselves and our partners. entwickelt� petences in matter of space flight to The point is to draw the greatest pos- force German technologies in the inter- sible benefit from europe’s invest- Davon ausgehend müssen sich die deut- national competition. an extension of the ments as far as existing structures sche Raumfahrtpolitik und deren Umset- ISS systems and of industrial utilisation and obligations permit. Based on a zung auf klare Ziele konzentrieren� Dazu may help to reach the German targets. comprehensive evaluation of the gehört der strategische ausbau nationa- operation of the ISS, a decision about ler Raumfahrtkompetenzen, um deutsche potential follow-up activities will have technologien im internationalen Wettbe- to be made in a few years under werb weiter zu verankern� Beispiele hier- cost-benefit aspects. after all, even für sind, die Systeme im Inneren der ISS zu exploration projects are assessed in erweitern und auch ver stärkt industrielle the light of their contribution towards nutzung zu motivieren� solving problems in human society.” (from the Federal Government’s space strategy paper)

91 Perspektiven perspectives on von ColUmBUS ColUMBUS

mit den erfolgreichen Starts von With ColUMBUS, the aTV and the ColUmBUS und atV, des japanischen Japanese KIBo laboratory successfully labors KIBo sowie durch die erhöhung launched and the number of crew mem- der Zahl der astronauten von drei auf bers doubled from three to six in sum- sechs im Sommer 2009 sind nun exzel- mer 2009, the ISS now offers excellent lente experimentiermöglichkeiten auf der experimenting opportunities. extended ISS vorhanden� Die vermehrte Crewzeit crew times and a larger number of test und Probandenanzahl wird sich beson- persons will be of benefit particularly ders für die Raumfahrtmedizin positiv to space medicine in that they permit auswirken: Sie ermöglicht die Fortfüh- the current series of human physiology rung der laufenden humanphysiologi- experiments to be continued, and results schen experimente und führt schneller to come earlier. So, what are the general als zuvor zu ergebnissen� Was ist nun expectations with regard to research on insgesamt von der zukünftigen For- the ISS? schung auf der ISS zu erwarten? Speaking of Germany alone, more than Insgesamt wurden in den letzten Jahren 50 projects were launched over the last mehr als 50 deutsche Projekte auf der few years, of which some have already Raumstation begonnen und teilweise been completed. Under the “best science” abgeschlossen� Über 40 weitere hatten principle, over 40 additional ones were sich in den vergangenen Jahren im inter- selected in an international competition, nationalen Wettbewerb nach dem „Best which are now waiting to be implement- Science“-Prinzip durchgesetzt und war- ed. eSa, in close coordination with its ten jetzt auf ihre Umsetzung� mit einer affiliates, launched a new call for propos- neuen experimentausschreibung, die von als in May 2010, from which a number eSa in abstimmung mit den Partnern of new projects were selected for future herausgegeben wurde, konnten im mai implementation. once again, German 2010 neue Projekte für die Zukunft aus- scientists were among the front runners. gewählt werden� auch diesmal waren 25 additional life science and materials deutsche Wissenschaftler wieder an vor- science experiments are now being pre- derster Front mit dabei: 25 bio- und pared for being carried out on the ISS. materialwissenschaftliche experimente werden nun zusätzlich für die ISS vorbe- Research jobs to be done by the astro- reitet� nauts over the next few years are cer- tainly not in short supply. Important progress is expected in the areas of gravitational, radiation and astrobiology, human physiology – with muscle and bone loss being of special interest –, in materials research, fluid physics, combus-

92 Die ISS im Zeitraffer > Zukunft The ISS in Fast Motion > The Future

an Forschungsarbeit für die astronauten tion research and fundamental physics. herrscht in den nächsten Jahren kein Consonant with the overarching goals of mangel� Wichtige Fortschritte in Gravita- the DlR Space agency’s Research under tions-, Strahlen- und astrobiologie, in Space Conditions programme, all these Humanphysiologie – hier vor allem mus- activities will help fortify Germany’s lead- kel- und Knochenabbau – in materialfor- ing role in science and business. schung, Fluidphysik, Verbrennungsfor- schung und Fundamentalphysik sind zu The intention is to develop the ISS and erwarten� Sie werden, im einklang mit ColUMBUS into an orbiting research den übergeordneten Zielen des Pro- institution doing contract research for gramms „Forschung unter Weltraum- the non-space sector. This is the strategy bedingungen“ des DlR Raumfahrtma- that is consistently being followed by the nagements, die führende Position des Federal Ministry of economics (BMWi), Wissenschafts- und Wirtschaftsstandorts the leading government department with Deutschland festigen� a responsibility for spaceflight. The policy aims at attracting new customers includ- ISS und ColUmBUS sollen sich zukünftig ing especially those from the sector of Das europäische Raumlabor wird Astronau- auch zu einer Großforschungseinrichtung small and medium business enterprises ten und Forschern auch bis 2020 zur Verfü- im erdorbit für die nicht-Raumfahrt- who could benefit in a big way from the gung stehen Industrie entwickeln� Diese Strategie wird use of microgravity, developing processes nachhaltig vom für Raumfahrt federfüh- and products that are likely to have a The European space laboratory COLUMBUS will be used by astronauts and scientists renden Bundesministerium für Wirtschaft good business return in the near future. until 2020 und technologie (BmWi) verfolgt� Ziel ist hierbei die Gewinnung von Kunden, Industry is increasingly interested in this auch und gerade aus dem Bereich von opportunity, as German business entre- kleinen und mittleren Unternehmen, die preneurs are beginning to recognise that von der nutzung der Schwerelosigkeit research in space could indeed be a via- profitieren und Verfahren oder Produkte ble, forward-looking investment. experi- entwickeln, die wirtschaftlich einen zeit- ments under zero-gravity conditions can nahen Return of Investment erbringen� play a part in producing significant improvements in earth-based manufactur- Das Interesse der Industrie wächst� auch ing processes – a transfer of knowledge die deutsche Wirtschaft erkennt, dass from space to earth. Forschung im Weltraum eine lohnende Investition in die Zukunft sein kann� Ver- Thus, basic and applied research done on suche in der Schwerelosigkeit können board the ISS and ColUMBUS, under- dazu dienen, Fertigungstechniken und pinned by additional flight opportunities Produktionen auf der erde zu signifikan- and accompanying ground-based investi- ten Verbesserungen zu führen – Know- gations, will contribute to the continuing how-transfer vom Weltraum zur erde� success story of Research under Space Conditions – for the benefit of humans So werden grundlagen- und anwen- on earth. dungsorientierte Forschung auf der ISS mit ColUmBUS – ergänzt durch die möglichkeiten anderer Fluggelegenheiten und begleitende Bodenstudien – die bis- herige erfolgsgeschichte der „Forschung unter Weltraumbedingungen“ fortschrei- ben – zum nutzen des menschen auf der erde�

93 Impressum Imprint

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ISS_D-GB_11 D.C. oper and Germany Washington, and Paris, Brussels, in offices ates in locations 13 at people 6,700 approximately employs DLR DLR. of part also is agency project-management largest Germany‘s Furthermore, interests. German of representation tional interna- the for as well as Government Federal German the by me program- space German the of implementation the and planning Adminis forward the for responsibility given been has DLR tration, Space Germany‘s As ventures. cooperative international and nal natio- into integrated is Security and Energy Transportation, Space, Aeronautics, in work development and research extensive Its space. and aeronautics for centre research national Germany‘s is DLR Glance a at DLR Auf im Raumfahrtmanagement als DLR das t ist hinaus Forschung eigene die Über eingebunden. Kooperationen onale internati- und nationale in sind Sicherheit Verkehr,und Energie For s umfangreichen Seine Raumfahrt. und Luft- für Deutschland Bundesrepublik der Forschungszentrum nationale das ist DLR Das Überblick im DLR Das www.DLR.de Germany Köln/Cologne D-51147 Hoehe Linder Communications Kommunikation Center Aerospace German Washington, D.C. Washington, und Paris Brüssel, in Büros unterhält und Standorten 13 an Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen 6.700 circa beschäftigt DLR Das Dachorga ni Projektträger. größten national den für sation als DLR das fungiert Zudem zuständig. es senswahrnehmung Inter- internationale die für sowie Raumfahrtaktivitäten schen deut- der Umsetzung und Planung die für Bundesregierung chungs- und Entwicklungs und chungs- a rbeiten in Luftfahrt, Raumfahrt, Raumfahrt, Luftfahrt, in rbeiten rag der der rag

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