Übersetzt von: Anne Käfer

Der niederländische ESA-Astronaut Andre Kuipers schaut vom Fenster der ISS auf die Erde Mit freundlicher Genehmigung von ESA/NASA

Im ersten von zwei Artikeln nehmen uns Shamim Hartevelt-Velani und Carl Walker von der Europäischen Raumfahrtbehörde mit auf eine Reise zur Internationalen Raumstation.

Was ist die ISS?

Stell dir ein Feld von hellen Solarpanels vor, die sich auf ungefähr 100 Meter Länge ausgehend von einer zentralen Abstützung flächenförmig ausbreiten. An verschiedenen Orten entlang der Abstützung sind zylinderförmige, unter Druck stehende Module angebracht. Astronauten leben und arbeiten in diesen Modulen. Einige Module sind Labore; andere bieten Lebensraum für die Besatzung, inklusive Küche und einem Übungsbereich. Zusätzliche Module bieten Lagermöglichkeiten für Wasser, Essen, Ausrüstung und Experimente, sowie Systeme für die Rückführung von Luft und Wasser sowie eine Toilette. Knotenpunkte verbinden die verschiedenen Module und bieten eine Andockstation für Fahrzeuge, die von der Erde kommen.

Science Fiction? Nein, diese verblüffende Struktur ist seit dem 20. November 1998 Fakt, als der erste Baublock namens "Zarya" ("Sonnenaufgang" in Russisch) durch eine russische Proton-Rakete von Baikonur in Kasachstan in eine Erdumlaufbahn gestartet wurde. Die Internationale Raumstation (ISS) ist die größte jemals von Menschen geschaffene Konstruktion, die jemals in den Weltraum geflogen ist. Sie ist ein Gemeinschaftsprojekt der Europäischen Weltraumorganisation (ESA)w1, der US-Bundesbehörde für Luft- und Raumfahrt (NASA)w2, der russischen bundesstaatlichen Raumfahrtagentur (Roscosmos)w3, der kanadischen Weltraumbehörde (CSA)w4und der japanischen Raumfahrtagentur (JAXA)w5. Die fortlaufende Montage der Station nutzt sowohl die Roboterarme des Weltraumshuttles und der ISS, als auch die Astronauten, die dabei helfen, die Arbeit zu vervollständigen, indem sie Aktivitäten außerhalb der Fahrzeugs (EVAs oder Weltraumspaziergänge) im Vakuum des Weltraums durchführen.

Kulisse der Dunkelheit des Weltraums und des Horizontes der Erde; dieses Foto eines Besatzungsmitgliedes zeigt das angekoppelte Space Shuttle Discovery (STS-120) und ein Soyuz-Raumschiff Mit freundlicher Genehmigung von ESA/NASA

Die ISS bietet eine einmalige Gelegenheit, bahnbrechende Untersuchungen in zahlreichen wissenschaftlichen Gebieten durchzuführen. Verglichen mit früheren Raumstationen, bietet die ISS wesentlich mehr Möglichkeiten, Dutzende von Experimenten entweder auf den Trägern innerhalb der Station oder auf speziellen externen Befestigungspunkten durchzuführen. Das liegt daran, dass die ISS ein größeres Innenvolumen, mehr verfügbare Computerleistung, mehr elektrische Leistung und eine erhöhte Lebensdauer hat, die es den Wissenschaftlern erlaubt, Experimente über einen längeren Zeitraum mit einem kontinuierlichen Datenfluss durchzuführen.

Anziehungskräfte wirken bei allem, was wir auf der Erde machen. In der Umlaufbahn verschwinden die Auswirkungen dieser Kräfte nahezu und werden durch Mikroschwerkraft oder Schwerelosigkeit ersetzt. Astronauten schweben umher, und sind in der Lage riesige Ausrüstungsteile mit Leichtigkeit zu tragen. Unter diesen Bedingungen können Wissenschaftler existierende Theorien, die zu neuen Entdeckungen und Fortschritten führen können, testen und modifizieren.

Auf dem Weg zur ISS

Von Mai 2009 an wird die ISS permanent mit einer Besatzung von sechs Astronauten aus den USA, Kanada, Japan, Russland und der ESA besetzt sein. Die Besatzungen werden im Jahr durchgehend ausgetauscht, aber der durchschnittliche Aufenthalt beträgt 6 Monate. Die Besatzungen bestehen aus einer Mischung von Nationalitäten, deren Kombination von den Vereinbarungen unter den Regierungen abhängt. Alle Besatzungen müssen gut Englisch und Russisch lesen und schreiben können.

Peggy Whitson, Expedition 16-commander und Stephanie Wilson, STS-120 mission specialist, auf einem Foto im Zveda Servicemodul der ISS, während das Space Shuttle Discovery an die Station ankoppelt Mit freundlicher Genehmigung von ESA/NASA

Die Besatzung erreicht die ISS entweder in einer russischen Soyuz-Kapsel, welche von Baikonur gestartet wird, oder einem amerikanischen Space Shuttle, welches von Cape Canaveral in Florida, USA, gestartet wird. Von der Erde aus dauert es ungefähr zehn Minuten, bis die Astronauten die Erdumlaufbahn erreichen. Während des Starts eines Space Shuttles gibt es Lärm und riesige Vibrationen, da die Haupttriebwerke flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff verbrennen. Nach dem Abheben steigt die Geschwindigkeit schnell an und die schnelle Beschleunigung drückt die Astronauten in ihre Sitze, da die Beschleunigungskräfte von 1 g auf mehr als 4 g ansteigen – ähnlich wie einige der schnellsten Achterbahnen.

Das Shuttle erreicht bald eine Höhe von 10 km über dem Meeresspiegel, die Flughöhe von Flugzeugen. Die Temperatur fällt unter null und es wird nun der Punkt erreicht, an dem der größte Luftwiderstand mit der Atmosphäre auftritt. In dem Maße wie das Shuttle höher fliegt, biegt sich der Horizont und die Astronauten erfahren zum ersten Mal die Dunkelheit des Weltraums. Nach zwei Minuten erreicht das Shuttle eine Höhe von 45 km und ist auf dem Weg dorthin 4,5 mal schneller als die Schallgeschwindigkeit.

Vier Minuten später erreicht das Shuttle eine Höhe von 130 km und ist auf dem Weg dorthin 15 mal schneller als die Schallgeschwindigkeit. Der zentrale Treibstofftank ist jetzt leer und trennt sich ab, um letztendlich in der Atmosphäre zu verglühen. Die Haupttriebwerke werden ausgeschaltet, aber das Shuttle bewegt sich weiter im Weltraum, weil es nun keinen Luftwiderstand mehr gibt. Objekte innerhalb scheinen schwerelos zu werden und alles, was nicht festgeschnallt ist, beginnt zu schweben.

Die Vibration endet und Ruhe umgibt das Raumschiff. Das Shuttle erreicht eine Geschwindigkeit, die 22 mal schneller ist als die Schallgeschwindigkeit (28000 km pro Stunde), und eine Höhe von ungefähr 400 km; jetzt ist es in der gleichen Erdumlaufbahn wie die ISS. Das Shuttle beginnt die Station zu jagen – es ist 10000 km dahinter und niedriger an Höhe. Weitere zwei Tage werden für das Rendezvous und das Ankoppeln gebraucht, um sicher zu gehen, dass alle Systemkontrollen fertig sind. Das Ankoppeln findet sehr langsam statt, um Unfälle zu vermeiden.

Forschung an Bord

Unser aktuelles Verständnis über die Biowissenschaften, Physik und Chemie basiert fast vollkommen auf Beobachtungen und Theorien, die von der allgegenwärtigen Schwerkraft beeinflusst werden. Auf der ISS wird die Forschung in einer Umgebung von Schwerelosigkeit durchgeführt, die es den Wissenschaftlern erlaubt, existierende Theorien zu testen und zu modifizieren.

Zum Beispiel werden die Eigenschaften von Materialien durch ihre Feinstruktur bestimmt und durch Fehlstellen beeinflusst, die sich hauptsächlich während des Übergangs von flüssig nach fest bilden. Dieser Vorgang wird in sehr kompliziertem Maße durch die Schwerkraft beeinflusst. Durch die Untersuchung der Verfestigung in der Mikroschwerelosigkeit kann man besser verstehen, wie die Anziehungskräfte die Vorgänge auf der Erde beeinflussen. Als Ergebnis dieser Weltraum-basierten Forschung können Ingenieure die Herstellungsprozesse, die auf der Erde benutzt werden, verbessern, um billigere, festere und zuverlässigere Gussstücke herzustellen.

Blick auf die ISS vom Space Shuttle im November 2007 Mit freundlicher Genehmigung von ESA/NASA

Astronauten führen auch Experimente in der Biologie, der Medizin und der Humanphysiologie durch. Die Aktivitäten der ESA in dieser Forschung sind derzeit sowohl fokussiert auf den Einfluss der Schwerelosigkeit auf die Entwicklung und Erhaltung von Knochengewebe, als auch den Einfluss der medikamentösen Behandlung. Frühere lange Weltraumflüge haben gezeigt, dass das Leben im Weltraum nicht nur zu Verlust der Knochenmasse führte, sondern auch, dass dieser Verlust von sehr wenig bis zu 20% der Knochenmineralien nach 6 bis 8 Monaten im Weltraum variierte.

Es ist allgemein bekannt, dass Verlust von Knochenqualität das Hauptmerkmal bei Osteoporose-Kranken auf der Erde ist. Derselbe Verlust an Knochenmasse und Qualität kann auch bei gesunden Weltraumbesatzungen beobachtet werden. Durch die Erforschung von diesen ähnlichen Problemen haben wir eine bessere Chance beide zu lösen. Die Forschung über die vergangene Dekade hat bedeutenden Fortschritt gemacht und deshalb weiß man jetzt mehr als vor 10 Jahren. Experimente im Weltraum helfen uns die Erhaltung der Knochen zu verstehen und können den Weltraumbesatzungen helfen ihre Knochenqualität zu erhalten, wobei sie länger in einer gewichtslosen Umgebung verbringen.

Im nächsten Heft von Science in School, lesen Sie, wie Astronauten im Weltraum leben und wie sich ihre Körper an die Bedingungen der Mikroschwerelosigkeit anpassen.

Internet-Referenzen

w1 – Um mehr Informationen über die Europäische Weltraumagentur zu erhalten, siehe: www.esa.int. Darunter sind auch Informationen über ESA- Unterrichtsmaterial.

w2 – Mehr Informationen über die NASA, siehe: www.nasa.gov

w3 – Mehr Informationen über Roscosmos, siehe: www.roscosmos.ru

w4 – Mehr Informationen über die Kanadische Weltraumbehörde, siehe: www.space.gc.ca

w5 – Mehr Informationen über die japanische Raumfahrtagentur siehe: www.jaxa.jp/index_e.html

Quellen

Für ein vollständiges Interview mit Thomas Reiter, siehe:

Warmbein B (2007) Down to Earth: interview with Thomas Reiter. Science in School 5: 19-23. www.scienceinschool.org/2007/issue5/thomasreiter

Für andere, ähnliche Artikel, siehe:

Wegener A-L (2008) Laboratory in space: interview with Bernardo Patti. Science in School 8: 8-12. www.scienceinschool.org/2008/issue8/bernardopatti

Williams A (2008) Das automatisierte Transferfahrzeug - zur Unterstützung Europas im All. Science in School 8: 14-20. www.scienceinschool.org/2008/issue8/atv/german

Hunderte von Bildern, Videos und Animationen über den bemannten Weltraumflug sind über die Internetseite der ESA erhältlich und können für Bildungszwecke genutzt werden: www.esa.int/esa-mmg/mmg.pl?collection=Human+Spaceflight

Die ESA hat viele Bildungsmaterialien zur ISS hergestellt:

Ein gedruckter ISS-Bildungssatz für Lehrer an Grundschulen und weiterführenden Schulen ist in allen 12 ESA-Sprachen erhältlich. Die Bausätze basieren auf all den faszinierenden Aktivitäten, die sich auf das Aufbauen, das Arbeiten und das Leben an Bord der ISS beziehen, und bieten Hintergrundinformationen und Übungen für den Unterricht in der Klasse an. Sie sind für alle Lehrer der ESA-Mitgliedsstaaten erhältlich und können frei online bestellt werden: www.esa.int/spaceflight/education

Eine interaktive Version des ISS-Bildungsbausatzes ist erhältlich unter: www.esa.int/spaceflight/education

‘Space Robotics’, die neueste Lektion in einer Serie von vier ISS DVD Lektionen, die die Themen betreffend den europäischen Bildungsplan und basierend auf dem Projekt "Zero Gravity" umfasst, ist nun erhältlich.

Eine neue DVD, die sich mit der Physik im ATV beschäftigt, wird später in diesem Jahr erhältlich sein. DVDs können für Lehrer frei bestellt werden: www.esa.int/spaceflight/education

Die ESA entwickelt ebenfalls eine Serie von Online-Lektionen für Schüler und Lehrer an Grundschulen und weiterführenden Schulen. Siehe: www.esa.int/SPECIALS/Lessons_online

Ein neuer Weltraumerforschungsbausatz 1 für Grundschüler wird 2008 erhältlich sein.

Mehr Informationen und Bildungsmaterialien:

Die Internetseite der Europäischen Weltraumbehörde zur Ausbildung: www.esa.int/education

Die Internetseite der Europäischen Weltraumbehörde zur bemannten Raumfahrt: www.esa.int/esaHS/education.html

Shamim Hartevelt-Velani ist Lehrerin an einer weiterführenden Schule und arbeitet derzeit für das ESA Weltraumforschungs– und Technologiecenter (ESTEC) in der Abteilung für die bemannte Weltraumfahrt. Sie ist Didaktikspezialistin im Bildungsteam.

Carl Walker ist der korporative Schreiber und Verleger der ESA, basierend auf der ESTEC. Er schreibt und verlegt zahlreiche Bücher und andere Schriftstücke über Weltraumflüge und das Europäische Weltraumprogramm.