ISS-Expedition 5 ist die Missionsbezeichnung für die fünfte Langzeitbesatzung der Internationalen Raumstation (ISS). Die Mannschaft lebte und arbeitete vom 7. Juni bis zum 2. Dezember 2002 an Bord der ISS.
Mannschaft Waleri Grigorjewitsch Korsun (2. Raumflug), ISS-Kommandant 10. Juni bis 29. November 2002 (Roskosmos/Russland) Peggy Whitson (1. Raumflug), Bordingenieurin (NASA/USA) Sergei Jewgenjewitsch Treschtschow (1. Raumflug), Bordingenieur (Roskosmos/Russland)
Ersatzmannschaft Alexander Jurjewitsch Kaleri, Kommandant (Roskosmos/Russland) Scott Kelly, Bordingenieur (NASA/USA) Dmitri Jurjewitsch Kondratjew, Bordingenieur (Roskosmos/Russland)
Missionsbeschreibung
Die fünfte Langzeitbesatzung der ISS traf am 7. Juni am neuen Arbeitsplatz ein und übernahm drei Tage später offiziell die Amtsgeschäfte. An den ersten Tagen war man mit dem Entladen der Fracht, dem Einbau neuer Experimente sowie der Unterstützung der Außenbordarbeiten der beiden Endeavour-Astronauten beschäftigt. Whitson und Korsun bedienten zeitweilig die Steuerung des Stationsmanipulators. Zu den mehr als 60 Experimenten auf den Gebieten Biologie, Medizin, Physik, Technik, Strahlungsforschung und Erderkundung der 130-Tage-Mission gehörten einige neue Untersuchungen.
mini|Peggy Whitson an der Microgravity Science Glovebox Mit der Microgravity Science Glovebox (MSG) werden anspruchsvolle Forschungen zu Biotechnologie, Verbrennungsprozessen, Flüssigkeitsphysik, Grundlagenphysik oder Materialwissenschaft möglich. Die „Handschuhbox“ ist ein versiegelter Container mit einer großen Frontglasscheibe und vier Zugängen über Spezialhandschuhe. Sie verfügt über eine eigene Energieversorgung, Daten- und Kühlmittelleitungen sowie Videoüberwachung. Im Inneren können aber auch Schmelzöfen und andere Apparaturen untergebracht werden. Die MSG ist doppelt so groß wie alle bisherigen Geräte dieser Art und soll zehn Jahre genutzt werden. Mit ihrer Hilfe können die Experimentatoren im Vakuum, mit gefährlichen biologischen oder chemischen Substanzen, mit Partikeln, Gasen, Flüssigkeiten, Dampf, Rauch oder offenen Flammen arbeiten, ohne dass der Lebensraum in der Station belastet oder gefährdet wird. Die ersten beiden Experimente in der Glovebox waren physikalischer Natur. Bei Solidification Using a Baffle in Sealed Ampoules (SUBSA) wurde ein Halbleiterkristall aus Indium-Antimonid hergestellt, der mit Einschlüssen aus Tellur und Zink versehen war. Dazu befand sich ein Schmelzofen in der Box, der das Gemisch bis auf ca. 810 °C erwärmte. Bei langsamer Erstarrung (Wachstumsrate 5,4 mm/h) wächst der Kristall in eine Richtung. Die Anordnung der Tellur- und Zinkpartikel gibt Auskunft über die Bewegungen innerhalb der Schmelze. Ziel des Experiments ist eine Verbesserung der Modelle, die wir von der Kristallbildung haben. Bisher überlagern sich, auch in der Schwerelosigkeit, mehrere Effekte, die zu Unregelmäßigkeiten im Kristallaufbau führen. Da man erstmals einen transparenten Schmelzofen verwendete, konnte man die Kristallisation direkt beobachten und auf Störungen reagieren. Eine scheibenförmige Fläche in der Schmelze sollte zudem den Einfluss der kleinen Bewegungen innerhalb der Station dämpfen. Damit das Halbleitermaterial nicht mit der Wand der Schmelzampulle in Kontakt kommen konnte, hatte dieses eine besondere Form. Außerdem schwamm die Schmelze in einer isolierenden, chemisch inaktiven Flüssigkeit. Dadurch wurden auch Adhäsionskräfte minimiert und die dem eigentlichen Kristallisationsprozess innewohnenden Effekte wurden erkennbar. Von den 10 Proben, mit denen Peggy Whitson den Schmelzofen bestückte, waren 8 erfolgreich. Eine der Ampullen zerbrach. Nach sorgfältigem Einsammeln der Glasbruchstücke konnte die Versuchsserie fortgesetzt werden. Das zweite Glovebox-Experiment wurde als Pore Formation and Mobility Investigations (PFMI) bezeichnet und beschäftigte sich ebenfalls mit Erstarrungsprozessen. Beim Erstarren von Metallschmelzen steigen in der Schwerelosigkeit kleine Gasbläschen nicht nach oben, sondern bilden porenartige Materialdefekte. Die Entstehung derartiger Poren und ihre Bewegung während des Erstarrungsprozesses soll durch die Verwendung eines transparenten und elastischen Materials erstmals beobachtet werden können. Deshalb verwendet man als Grundmaterial Bernsteinsäurenitrile (Succinonitrile) und Wasser. Auf der Erde treten Materialmängel durch mikroskopische Bläschen ebenfalls auf. Dadurch können große Schäden entstehen, beispielsweise beim Bruch einer Turbinenschaufel in einem Flugzeugtriebwerk. Die 15 Probenbehälter beim ersten Einsatz des Experiments waren zylindrisch mit einem Durchmesser von 1 cm und einer Länge von etwa 20 cm. Ein Schmelzen-Erstarren-Zyklus dauerte ca. sieben Stunden. Dabei ließen sich Temperatur und Wachstumsrate von der Erde aus steuern. Der Fortgang des Experimentes wurde durch eine Videokamera übertragen. Gemessen wurden Bläschenzahl und -größe sowie die Bewegungen und Wechselwirkungen der Bläschen untereinander.
Neue medizinisch-biologische Studien befassten sich mit der Funktion von Leberzellen in der Mikrogravitation (Experiment StelSys), Wachstum und Entwicklung verschiedener Pflanzen (PGBA/CGBA, ADVASC, Rastenija 2), der Vorbeugung negativer Auswirkungen eines längeren Aufenthaltes in der Schwerelosigkeit (Biopsy, Midodrine, Mobility, Epstein-Barr), dem Einschließen von Medikamenten in Mikrokapseln (MEPS), Modifikation und Mutation von Mikroorganismen unter dem Einfluss von Schwerelosigkeit und kosmischer Strahlung (Biorisk) sowie Veränderungen in der Regulation des Herz-Kreislauf- und Atmungssystems bei längeren Raumflügen (Pulse).
Beim Experiment StelSys (Firmenname) wurden Leberzellen in der Schwerelosigkeit gehalten. Man untersuchte ihre Fähigkeit, komplexe und oftmals für den Körper toxische Substanzen in einfachere, wasserlösliche umzuwandeln. Die Experimentieranordnung befand sich im CBOSS-Modul (Cellular Biotechnology Operations Support System), die Temperaturkontrolle wurde durch das Commercial Refrigerator Incubator Module (CRIM) gewährleistet. Regelmäßig wurden Proben aus der Zellkultur entnommen, eingefroren und in einem ARCTIC-Gefrierschrank bei −12 °C gelagert. ARCTIC kann Proben mit einer Gesamtmasse von 10,43 kg und einem Maximalvolumen von 18,97 Litern aufnehmen.
Im Plant Growth Bioprocessing Apparatus (PGBA) wurden Pflanzen der Gattung Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) angebaut. Von dieser Gattung ist das Erbgut bereits seit mehreren Jahren sehr gut bekannt, so dass erbliche Veränderungen leicht identifiziert werden können. In der Schwerelosigkeit benötigen die Pflanzen weniger Lignin, das auf der Erde zum Aufbau der Zellwände dient. Ohne Schwerkraft müssen diese Stützstrukturen nicht so ausgeprägt sein. Die Pflanze ändert stattdessen ihren Stoffwechsel, kann dadurch andere, für den Menschen kommerziell oder medizinisch nützliche Substanzen produzieren. Die Forscher untersuchten, was bei diesem Wandel auf genetischer Ebene passiert. Später will man dieses Wissen nutzen, um auch auf der Erde Pflanzen in dieser Richtung zu beeinflussen. Schon heute werden bestimmte medizinische Wirkstoffe in gentechnisch veränderten Pflanzen produziert. Zwischenzeitlich entnommene Proben wurden im Commercial Generic Bioprocessing Apparatus (CGBA) eingefroren.
mini|links|Sojabohnenpflanzen im Mini-Gewächshaus Advanced Astroculture Im Rahmen der Forschungen im Komplex ADVanced AStroCulture (ADVASC) wurden Sojabohnen von der Aussaat bis zur Ernte neuer Samen gezüchtet. Das Saatgut wurde anschließend auf Veränderungen in seiner chemischen Zusammensetzung untersucht. Gleichzeitig sollte die Apparatur ihre Eignung für den Anbau weiterer Feldfrüchte unter Beweis stellen.
mini|Waleri Korsun prüft das Pflanzenwachstum im Lada-Gewächshaus Beim Experiment Rastenija 2 wurden Salatpflanzen im LADA-Gewächshaus gezogen. Salat könnte ein wichtiger Vitaminlieferant im Weltraum sein. Von Interesse war auch hier der Einfluss der Schwerelosigkeit auf Wachstum und Entwicklung der Pflanzen. Untersucht wurden aber auch die Funktionalität des Gewächshauses, die Widerstandsfähigkeit und die Anpassung an die außergewöhnlichen Bedingungen im Weltraum (Mikrogravitation, Strahlung) und die Ethylenkonzentration im russischen Segment der ISS.
Im Rahmen des Experimentes Biopsy wurde den Raumfahrern vor und nach dem Flug Gewebe aus der Wadenmuskulatur entnommen. Dadurch lassen sich die Auswirkungen eines Aufenthaltes in der Schwerelosigkeit besonders genau untersuchen.
Midodrine ist ein neues Medikament, das bei Raumfahrern eingesetzt werden soll, um den Verlust des Venen-Arterien-Reflexes zu vermeiden. Auf der Erde sorgt dieser Reflex dafür, dass sich kleine Blutgefäße kurzzeitig zusammenziehen, so dass der Gesamtblutdruck im Körper aufrechterhalten wird. Bei Verlust dieses Reflexes kann es beim Aufstehen dazu kommen, dass der betreffenden Person schwarz vor Augen wird. Diese so genannte orthostatische Hypotension kann bis zur Ohnmacht führen. Raumfahrer erleben nach ihrer Rückkehr oft Schwierigkeiten beim Gehen, weil sich das Gehirn erst wieder an die Bewegung unter dem Einfluss der Schwerkraft gewöhnen muss.
Bei Mobility wurden Tests vorgenommen, mit denen man herausfinden kann, wie ein körperliches Training während des Raumfluges gestaltet werden muss, um die Wiederanpassung an die Schwerkraft zu erleichtern. Gearbeitet wurde dabei vor allem mit dem Laufband. Als dieses allerdings aufgrund eines Defektes ausfiel, wich man auf andere Trainingsgeräte aus.
Etwa 90 % aller Erwachsenen tragen das Epstein-Barr-Virus (EBV) in ihrem Körper. Normalerweise bleibt es inaktiv. In der Schwerelosigkeit reaktiviert es sich jedoch oft und kann zu Beeinträchtigungen führen. Über Blut- und Urinproben will man dem Mechanismus dieser Reaktivierung auf die Schliche kommen.
Hartnäckige Infektionen und vor allem Tumore sind meist örtlich begrenzte Erkrankungen. Der Einsatz von Medikamenten sollte demnach lokal und langfristig dosiert erfolgen. Dazu verwendet man heute mikroskopisch kleine Kapseln, die einen Wirkstoff enthalten und diesen langsam abgeben. Die Kapseln selbst zersetzen sich nach einer bestimmten Zeit. Produziert man sie im Weltraum, bekommen sie eine ideal runde Form. Dies geschah im Microencapsulation Electrostatic Processing System (MEPS). Hier wurden sogar zwei Medikamente in mehrlagigen Mikrokapseln eingeschlossen. Außerdem experimentierte man mit dem Einschluss magnetischer Partikel, wodurch die Kapseln im Körper des Menschen durch ein äußeres Magnetfeld gezielt zum Zerplatzen gebracht werden können. Dabei werden die Medikamente konzentriert in einer bestimmten Körperregion in hoher Dosis wirksam, während sie den restlichen Körper nicht belasten. Da dieses Experiment möglichst wenig von den Bewegungen der Raumfahrer in der Station beeinflusst werden sollte, war es im Express-Rack 3 auf einer schwingungsdämpfenden ARIS-Plattform untergebracht. Bei mehreren Versuchsserien wurden Antikrebsmedikamente (Sauerstoffradikale) eingekapselt. Diese lassen sich auf der Erde gezielt durch infrarote Strahlung, starke Magnetfelder oder elektrostatische Felder freisetzen. In einem weiteren Versuch wurde Erbsubstanz gentechnisch veränderter Bakterien (Escherichia coli) verwendet.
Biorisk hatte den Einfluss des Weltraumes auf die Lebensfähigkeit von Bakterien und Pilzen als Untersuchungsgegenstand. Zum einen lagern sich Bakterien- und Pilzkolonien an unzugänglichen Stellen an und können dort langfristig Materialschäden verursachen. Zum anderen sind sie ein natürlicher Bestandteil unserer Umwelt und oftmals unverzichtbar. Von Interesse war für die Forscher der Einfluss der Sonnenaktivität auf Modifikationen und Mutationen sowie die Entwicklung von Resistenzen und Aggressivität. Gleichzeitig sollte aber auch abgeschätzt werden, inwiefern nützliche Bakterien bei einem längeren Aufenthalt im Weltraum lebensfähig bleiben.