ISS-Expedition 4 ist die Missionsbezeichnung für die vierte Langzeitbesatzung der Internationalen Raumstation. Die Mannschaft lebte und arbeitete vom 7. Dezember 2001 bis zum 15. Juni 2002 an Bord der ISS.
Mannschaft Juri Iwanowitsch Onufrijenko (2. Raumflug), ISS-Kommandant 12. Dezember 2001 bis 10. Juni 2002 (Roskosmos/Russland) Daniel Wheeler Bursch (5. Raumflug), Missionsspezialist (NASA/USA) Carl Erwin Walz (4. Raumflug), Missionsspezialist (NASA/USA)
Ersatzmannschaft Gennadi Iwanowitsch Padalka, Kommandant (Roskosmos/Russland) Stephen Kern Robinson, Bordingenieur (NASA/USA) Edward Michael Fincke, Bordingenieur (NASA/USA)
Missionsbeschreibung Während dieser Mission wurde die Anzahl der durchgeführten wissenschaftlichen Experimente fast verdoppelt. Die Mannschaft wurde am 7. Dezember 2001 um 20:03 Uhr UTC Stationsbesatzung und blieb 189 Tage an Bord der ISS, bis sie mit dem Space Shuttle Endeavour wieder zurück zur Erde gebracht wurde.
Zu Beginn der Mission standen Entladearbeiten im Vordergrund. Neben dem Lastenmodul Raffaello waren auch Experimente vom Mitteldeck der Endeavour und aus einem angedockten Progress-Raumschiff in die Station zu transportieren. Bursch und Walz unterzogen sich ersten medizinischen Tests. Dazu gehörte die Untersuchung eines Muskelreflexes (Hoffman Reflex Experiment) und der Lungenfunktion (Pulmonary Function in Flight). Dabei werden fünf Tests nacheinander vorgenommen, bei denen der Gasaustausch und die Atmungsmuskulatur untersucht werden. Diese Tests werden während der Mission regelmäßig durchgeführt, u. a. auch vor und nach Außenbordeinsätzen.
Über Weihnachten und den Jahreswechsel konnten die drei Raumfahrer zwei Tage entspannen. Danach trainierten sie am kanadischen Manipulatorarm für zukünftige Montagearbeiten. Dabei testeten sie auch eine neue Technik, mit der große mechanische Spannungen an den Befestigungspunkten in Zukunft vermieden werden sollen. Außerdem wurden Vorbereitungen für die ersten Außenbordeinsätze im Januar getroffen. Mit dem Cellular Biotechnology Operations Support System (CBOSS) wurde das Wachstum von Blut-, Nieren- und Mandelzellen über 12 Tage untersucht. Dazu hatten die Astronauten zunächst vorbereitete Zellen in 32 Probenbehälter mit Nährlösung zu injizieren. Anschließend wurden diese in einem Inkubator verstaut. An den folgenden Tagen wurden einige Proben in verschiedenen Stadien ihres Wachstums eingefroren. In der Schwerelosigkeit wächst Zellgewebe dreidimensional. Dadurch kann man es zu funktionierenden Organteilen heranziehen. Auf der Erde hingegen ist ein dreidimensionales Wachstum bisher nur mit Stützstrukturen aus Fremdgewebe zu erreichen. Mit CBOSS wurden im weiteren Verlauf verschiedene, vor allem Krebs-Gewebe gezüchtet (u. a. Nieren-, Dickdarm- und Eierstockgewebe). Nach der Rückkehr auf die Erde wurden diese Gewebeteile dann genau untersucht. Ende Dezember wurden auch erste Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung vorgenommen. Im Rahmen des Experiments Extra Vehicular Activity Radiation Monitoring (EVARM) wurde erstmals eine genaue Bestimmung der Strahlendosis verschiedener Organe (Augen, innere Organe, Haut), die während eines Ausstiegs auf einen Raumfahrer wirkt, vorgenommen. Ein weiteres medizinisches Experiment war die Untersuchung des Risikos zur Bildung von Nierensteinen während längerer Raumflüge (Renal Stone Risk). Dazu wurden von einem Raumfahrer Urinproben gesammelt, während er sich an eine spezielle Diät hält. Dadurch lassen sich Auswirkungen bestimmter Nahrungsinhaltsstoffe auf den Stoffwechsel analysieren.
Zu den Wartungsarbeiten im Januar gehörte auch der Austausch der bisherigen Festplatten gegen Halbleiterfestwertspeicher (Solid State Disk) in den drei Kommunikations- und Steuerungscomputern. Im Mai 2001 waren mehrere Datenspeicher offenbar beim Ankoppeln der Raumfähre Atlantis beschädigt worden, wodurch die Computer ausfielen. Deshalb ging man zu mechanisch robusten Flashspeichern über. Gleichzeitig kam eine verbesserte Software zum Einsatz.
Fortgesetzt wurden physikalische Experimente zur Schwingungsdämpfung (ARIS-ICE) und zum Verhalten von Partikel-Flüssigkeitsgemischen (Experiment on Physics of Colloids in Space) in der Schwerelosigkeit. ARIS ist eine kleine Plattform innerhalb eines Racks. Auf der Plattform befinden sich Systeme, mit denen Schwingungen gedämpft werden, die durch die Bewegung der Raumfahrer in der Station sowie durch Steuer- oder Andockmanöver verursacht werden. Mit einer neuen Software wurde der operationelle Einsatz des Systems vorbereitet. Bei den Colloiden ging man vom Partikelgemisch AB-6 zu einem Gel über, das zu 99,992 % aus Wasser und nur zu 0,008 % aus Partikeln besteht. Damit wurde die Bildung selbstähnlicher Strukturen (Fraktale) untersucht. Dazu wurde das Gemisch zunächst verflüssigt. Beim Erstarren bildeten die Partikel Strukturen, die dann in stroboskopischem Laserlicht erkennbar wurden. Die Experimente liefen selbständig ab, wurden von einer Bodenstation aus überwacht und dauerten mehrere Wochen an. Von Interesse war dabei auch, wie sich das Verhalten der Kolloide innerhalb dieser Zeit veränderte (Alterung des Gels).
Im Januar wurden die ersten beiden Außenbordeinsätze der vierten Stammbesatzung absolviert. Beim ersten Ausstieg von Onufrijenko und Walz am 14. Januar (6:03 h) wurde der Lastenkran Strela 2 aus dem Innenraum von Pirs in den Weltraum verbracht und an der Außenhaut des Moduls montiert. Dazu wurde der bereits vorhandene Strela-1 benutzt, der sich gegenüberliegend auf dem Ausstiegsmodul Pirs befindet. Strela (zu deutsch: Pfeil) sind von Hand bedienbare Kräne mit einem ausfahrbaren Kranarm, der drehbar auf einem fest installierten Mast gelagert ist. Derartige Kräne wurden bereits auf der russischen Raumstation Mir verwendet. Weiterhin montierten die beiden Raumfahrer eine Amateurfunkantenne an der Außenseite des Moduls Swesda (ARISS-Projekt). Vier derartige Antennen sollen es ermöglichen, Kontakte zu Funkamateuren weltweit vom Wohnmodul aus aufnehmen zu können. Beim zweiten Außenbordeinsatz am 25. Januar (Onufrijenko und Bursch, 5:59 h) wurde eine zweite Antenne montiert. Zuvor installierten die beiden Raumfahrer sechs Ablenkschilde, die Triebwerksabgase von den außen an der Station angebrachten Experimenten fernhalten sollen. Gleichzeitig wechselten sie einen Detektor (KROMKA), mit dem bisherige Schäden durch Triebwerksabgase und Partikel dokumentiert wurden. Danach wurde ein physikalisches Experiment (PLATAN-M) ausgetauscht, mit dem schwere Kerne von der Sonne oder von interstellaren Quellen aufgefangen werden. Beide Apparaturen wurden später zur Erde transportiert. Zusätzlich wurden drei Materialexperimente (SKK) am Modul Swesda installiert. Danach wurden halboffene Kabelhalterungen montiert, durch die die Halteseile der Raumfahrer bei Ausstiegen von den Experimenten ferngehalten werden sollen. Abschließend wurde die gesamte Arbeit durch Fotos dokumentiert.
Der Februar begann mit kleineren Problemen. So fiel ohne erkennbaren Grund ein Computer aus, der für die Lageregelung der gesamten Station zuständig ist. Dadurch konnten die Solarzellen nicht mehr optimal auf die Sonne ausgerichtet werden, die Energieversorgung war nicht mehr sichergestellt. In einem solchen Falle schalten sich automatisch verschiedene Systeme ab. Andere wurden von der Besatzung deaktiviert. Nach reichlich vier Stunden funktionierte die Steuerung wieder einwandfrei. Die Klimasysteme verschiedener Experimente wurden zuerst reaktiviert. Offenbar war die Temperatur in einem Kühlschrank (Biotechnologie Refrigerator), der die Resultate bereits durchgeführter Experimente enthält, noch nicht so weit angestiegen, dass deren Zerstörung zu befürchten war. Außerplanmäßige Reparaturen fielen auch beim Vibrationsdämpfungsexperiment ARIS und in einem Energieconverter an.
Im Mittelpunkt der experimentellen Arbeit standen Erderkundung, medizinisch-biologische und physikalische Experimente. Beobachtungsobjekte im Rahmen der Crew Earth Observation waren u. a. Trockengebiete in der Kongo-Simbabwe-Region, Korallenriffe und Atolle des Tuamotu-Archipels (Südpazifik) und in Malaysia, der tropische Zyklon „Francesca“, Gletscher in Patagonien, die Großstadt Mumbai, das Mekongdelta, Feuergebiete und Staubstürme in der Sahel-Zone, Smog über dem Mittelmeer, der Fuego-Vulkan in Guatemala und Packeis im Sankt-Lorenz-Strom. Im Servicemodul Swesda war für mehrere Tage das System EarthKAM montiert. Mit diesem können Schüler weltweit Aufnahmen ausgewählter Gebiete der Erdoberfläche anfertigen. Bei der Aufnahmeserie im Februar, an der auch eine deutsche Schule beteiligt war, kam erstmals ein 180-mm-Objektiv zum Einsatz, wodurch detailliertere Aufnahmen möglich wurden. Mit Hilfe medizinischer Instrumente in der Human Research Facility (HRF) und spezieller Trainingsgeräte wurden Lungenfunktions- und Fitnesstests vorgenommen. Außerdem wurde das abbildende Ultraschallgerät getestet. Im Mini-Gewächshaus Advanced Astroculture (ADVASC) wurde zum zweiten Mal Arabidopsis thaliana ausgesät. Der Samen wurde bereits im Weltraum gewonnen. Somit gediehen die Pflanzen, die zur gleichen Familie wie Kohl und Rettich gehören, bereits in zweiter Generation in der Schwerelosigkeit. Fortgeführt wurden das Experiment zur Physik von Colloiden im Weltraum zur Untersuchung fraktaler Strukturen und das Züchten von Proteinkristallen für kommerzielle Auftraggeber (Protein Crystal Growth - Single Thermal Enclosure System, PCG-STES). Außerdem wurde ein Schmelzofen zur Bildung reiner, großer und stabiler Zeolitkristalle getestet. Zeolite sind wabenartige Kristalle, die Flüssigkeiten und Gase über längere Zeit speichern können. Sie kommen bisher vor allem in der Petrolchemie und in der Elektronik zum Einsatz.
Am 20. Februar verließen Bursch und Walz für fünf Stunden und 47 Minuten über das Ausstiegsmodul Quest die Station. Dabei testeten sie ein neues Verfahren zur schnellen Verringerung des im Blut gelösten Stickstoffs. In US-Raumanzügen wird reiner Sauerstoff unter vermindertem Druck geatmet. Dabei kann es aber zur Bildung von Stickstoffbläschen im Blut kommen, was lebensgefährlich ist. Um dieser Gefahr vorzubeugen, wird der Körper langsam an die veränderte Atemluft gewöhnt. Während ihres Außenbordeinsatzes führten die Astronauten verschiedene Arbeiten durch. So überprüften sie die korrekte Funktion aller Systeme von Quest, verlegten probeweise ein Stromkabel, das später an die zentrale Gitterstruktur angeschlossen werden soll, demontierten überflüssig gewordene Halterungen, sicherten lockere Verriegelungen an Sauerstoff- und Stickstofftanks und legten Werkzeuge bereit, die bei der Montage des ersten Gitterstrukturelements S0 benötigt werden. Zusätzlich fotografierten sie MISSE (Materials International Space Station Experiment), ein Experiment, mit dem verschiedene Werkstoffe auf ihre Verwendbarkeit unter den harten Bedingungen des Weltraums getestet werden. Offenbar befürchtet man, dass sich ein Teil der Materialien von der Struktur lösen könnte. Vor und nach dem Ausstieg führten Walz und Bursch Lungenfunktionstests durch (Experiment PuFF). Während ihres Aufenthalts außerhalb der Station wurde mit speziellen Detektoren die Strahlenbelastung verschiedener Körperteile präzise gemessen (MOSFET-Detektoren im Rahmen des Experiments EVA-Radiation Monitoring). Die Beschleunigungsmessapparaturen MAMS und SAMS waren währenddessen ebenfalls in Betrieb.