Weltraumexperimente haben keine Angst davor, „aufgedeckt“ zu werden. Wie viele Tricks kennen Sie?

Vor Kurzem wurde das Gerät für ein Weltraumexperiment zur Strahlenbiologie auf der chinesischen Raumstation von einem Roboterarm gegriffen, aus der Frachtschleuse des Mengtian-Labormoduls entladen und dann auf der Außenbord-Expositionsplattform installiert. Es war eingeschaltet und funktionierte normal. Unsere gemeinsamen Weltraumexperimente werden normalerweise in streng geschützten Raumfahrzeugkabinen durchgeführt. Warum müssen einige Experimente der Weltraumumgebung ausgesetzt werden? Was ist das Besondere an diesen Experimenten? Welche einzigartigen Werte hat es?

Expositionsexperimente erfordern viel Aufmerksamkeit

Wie der Name schon sagt, besteht ein Expositionsexperiment darin, die Versuchsmaterialien einer bestimmten speziellen Umgebung auszusetzen und zu beobachten, welche besonderen Veränderungen in den Versuchsmaterialien auftreten. Bei einem Extravehicular-Expositionsexperiment werden Versuchsmaterialien der Weltraumumgebung außerhalb der Raumfahrzeugkabine ausgesetzt. Dabei werden komplexe und vielfältige Weltraumeinflussfaktoren genutzt, um subtile Veränderungen der Versuchsmaterialien zu beobachten. Dabei erfassen Astronauten und Bodenteams umfassende experimentelle Daten, analysieren den Mechanismus der Probenveränderung und interpretieren die zugrunde liegenden Gesetze.

Das Weltraumstrahlungsbiologiegerät ist auf der Mengtian-Kabinenexpositionsplattform installiert

Raumfahrzeuge wie Raumstationen schweben im Weltraum und bieten eine ideale Mikrogravitationsumgebung für wissenschaftliche Experimente. Mit ihnen können viele Experimente durchgeführt werden, die auf der Erde nur schwer möglich wären. Für einige experimentelle Ziele reicht die Mikrogravitationsumgebung jedoch bei weitem nicht aus und es sind Bedingungen erforderlich, die näher an einem Vakuum liegen. Um die Gesundheit der Astronauten zu schützen, wird der Luftdruck in der Raumstation weiterhin auf Meereshöhe gehalten und auch die Luftzusammensetzung ähnelt der der Erdatmosphäre.

Ebenso ist es unmöglich, eine Strahlungsquelle, die das Leben und die Gesundheit der Astronauten bedroht, über längere Zeit in der Raumstation aufrechtzuerhalten, und sie kann die Strahlungsanforderungen bestimmter Experimente nicht erfüllen. Daher haben Forscher eine Außenbord-Expositionsplattform für die Raumstation entwickelt, um spezielle Weltraumexperimente mit „extremeren“ Anforderungen durchführen zu können.

Welche besonderen Anforderungen gelten also für diese Weltraumexperimente?

Erstens müssen sie die äußeren Weltraumbedingungen ausnutzen, die auf der Oberfläche grundsätzlich nicht simuliert werden können. Obwohl der Weltraum oft als „Vakuum“ bezeichnet wird, ist er nicht wirklich leer. In der erdnahen Umlaufbahn der Raumstation befinden sich die unterschiedlichsten komplexen Substanzen – von Mikrometeoriten mit einem minimalen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern über atomaren Sauerstoff, der am Rand der Atmosphäre entsteht, bis hin zu unermesslicher schädlicher Strahlung. Sie alle bieten die Voraussetzung für Veränderungen der Eigenschaften experimenteller Materialien.

Zweitens werden diese Experimente nicht zu sehr auf Astronauteneinsätze angewiesen sein. Da die Weltraumumgebung für den menschlichen Körper zu rau ist, müssen Astronauten vor Außenbordaktivitäten Außenbordanzüge mit komplexen lebenserhaltenden Funktionen tragen. Darüber hinaus sind die Missionsintervalle und -zeiten streng begrenzt, was es ihnen unmöglich macht, häufig die Kabine zu verlassen, um sich um die Versuchsausrüstung und -materialien zu kümmern.

Schließlich muss die Versuchsausrüstung eine größtmögliche Zuverlässigkeit gewährleisten und die Gesamteffizienz verbessern. Da Astronauten die Kabine nicht häufig verlassen können, um Pflege zu leisten, und die Funktion des Roboterarms zwangsläufig eingeschränkt ist, müssen bei der Konstruktion der Außenbord-Expositionsplattform und der Versuchsausrüstung verschiedene unerwartete Faktoren im Voraus berücksichtigt werden, um zu versuchen, über einen längeren Zeitraum mehr Weltraumexperimente durchzuführen.

Beispielsweise ist die Weltraum-Strahlenbiologie-Expositionsvorrichtung meines Landes mit 13 Probenboxeinheiten ausgestattet, die mit biologischen Materialien gefüllt sind. Es ist geplant, etwa fünf Jahre lang zu arbeiten und Dienstleistungen für mehrere wissenschaftliche Versuchsprojekte bereitzustellen.

Die ausländische Praxis hat fruchtbare Ergebnisse gebracht

In der ausländischen Luft- und Raumfahrtindustrie werden seit Jahrzehnten Außenbordexperimente durchgeführt, die viele bedeutsame Erfahrungen und Ergebnisse hervorgebracht haben.

Im Jahr 1970 begann das Langley Research Center der NASA mit der Entwicklung eines speziellen wissenschaftlichen Versuchssatelliten. Nach 14 Jahren der Demonstration und Entwicklung erhielt der Satellit intuitiv den Namen „Long Term Exposure Facility“. Es hat die Größe eines Schulbusses und wurde am 6. April 1984 mit der Raumfähre Challenger ins All geschossen. Es handelt sich dabei um den bislang einzigen Satelliten, der ausschließlich für Weltraumexperimente eingesetzt wird.

Laut Plan hätte der Satellit nach etwa anderthalb Jahren Betrieb im Orbit wieder zur Erde zurückgebracht werden sollen. Aufgrund des unglücklichen Unfalls der Raumfähre Challenger Anfang 1986 wurde sein Rückkehrtermin jedoch mehrmals verschoben, bis er Anfang 1990 von der Raumfähre Columbia aus der Umlaufbahn zurückgebracht wurde. Während seiner verlängerten Dienstzeit bewies der Satellit die Zuverlässigkeit seiner Materialien und seines Designs und absolvierte insgesamt 57 Experimente mit experimentellen Materialien aus mehreren Ländern (von Tomatensamen bis zu Raumfahrzeugbeschichtungen), mit einer großen Bandbreite experimenteller Ergebnisse.

Schließlich ist die Nutzlastkapazität des Satelliten begrenzt und die Raumstation ist ein professionelles Weltraumlabor. In den 1990er Jahren entwickelten amerikanische Raumfahrtexperten auf der russischen Raumstation Mir eine spezielle Außenbord-Belastungsplattform namens „Mir Environmental Impact Payload“, die am 27. März 1996 mit der Raumfähre Atlantis ins All gebracht wurde und etwa ein Jahr lang an der Außenseite der Raumstation Mir arbeitete.

Auf den beiden oben genannten Plattformen wurden zahlreiche experimentelle Ergebnisse erzielt, die einen großen Beitrag zur Konstruktion und Verbesserung der Internationalen Raumstation geleistet haben. Derzeit gibt es auf der Internationalen Raumstation vier professionelle Außenbord-Bestrahlungsplattformen, die sich auf dem Columbus-Labormodul der ESA, dem japanischen Hope-Labormodul, dem russischen Swesda-Kernmodul und der Rahmenstruktur befinden.

Die auf diesen vier Plattformen durchgeführten Weltraumexpositionsexperimente wurden jedoch separat von Forschungseinrichtungen in verschiedenen Ländern durchgeführt. Dies hat sicherlich zu mehr Flexibilität und Vielfalt geführt, hinterließ jedoch auch Bedauern hinsichtlich der koordinierten Nutzung der Ressourcen.

Die Besatzung von Shenzhou 16 installierte die Nutzlast auf dem Nutzlasttransfermechanismus

Von neuen Materialien bis zur Biologie

Was genau kann man bei Außenbordexperimenten tun? Unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Weltraumumgebung und des relativ unabhängigen Betriebs umfasst es hauptsächlich zwei Kategorien: Materialexperimente und biologische Experimente.

Mikrometeoriten, atomarer Sauerstoff und verschiedene kosmische Strahlen haben eine extrem starke korrosive und degenerative Wirkung auf Materialien wie Metalle und Kunststoffe, wodurch die Materialien komplexe physikalische und chemische Veränderungen erfahren und ihre inhärenten Eigenschaften verlieren.

Forscher können dies wiederum ausnutzen, indem sie eine Charge Materialien auf einer Expositionsplattform außerhalb der Kabine platzieren, um sie dem „Wind und Regen“ des Weltraums vollständig auszusetzen, und sie dann zum Testen wieder herausholen. Durch die Untersuchung des Endzustands des Materials können Forscher die Korrosionsbeständigkeit des Materials bestimmen, es gezielt und optimal weiterentwickeln und neue Materialien mit stärkerer Korrosionsbeständigkeit synthetisieren.

Der Weltraum ist nicht unbedingt eine verbotene Zone für Leben. Auf extravehikulären Expositionsplattformen können auch verschiedene wichtige biologische Experimente durchgeführt werden.

Beispielsweise sind die uralten Mikroorganismen Cyanobakterien für die Ökologie der Erde von großer Bedeutung. Kann es im Weltraum eine ähnliche Rolle spielen? Nachdem die Forscher die Cyanobakterienproben eine Zeit lang auf der Expositionsplattform platziert hatten, verglichen und analysierten sie ihre genetischen Sequenzen mit denen der Kontrollgruppen in der Raumstation und auf der Erde, um festzustellen, ob es grundlegende Veränderungen in ihrer „Genexpression“ und physiologischen Morphologie gegeben hatte.

In Zukunft wird erwartet, dass die Menschheit Stützpunkte auf dem Mond und dem Mars errichten wird, was zwangsläufig den Aufbau eines autarken außerirdischen Ökosystems erfordern wird. Ich glaube, dass Mikroorganismen wie Cyanobakterien, die Sauerstoff produzieren können, dabei eine große Rolle spielen werden.

Payload-Exit-Bildschirm

Öffentlichen Informationen zufolge kann das Weltraum-Experimentiergerät für Strahlenbiologie meines Landes dazu verwendet werden, Experimente im Orbit an Pflanzensamen, Mikroorganismen, Kleintieren usw. durchzuführen. Es wird Dienste zur Ermittlung von Strahlenschäden bei Menschen und Organismen, zur genetischen Variation, zur Herstellung von Strahlenschutzmedikamenten und zur Bewertung des Strahlenrisikos in der Biologie leisten. Es ist von großer Bedeutung für das langfristige Überleben chinesischer Astronauten im Orbit und bei bemannten Mondlandungen.

Wenn wir beispielsweise unser „Gemüseanbautalent“ künftig auf dem Mond oder sogar dem Mars einsetzen wollen, müssen wir das Beste vom Besten auswählen und neue Sorten züchten, die besser an Umgebungen mit hoher Strahlung und Mikrogravitation angepasst sind. Auf der Internationalen Raumstation wurden zahlreiche Experimente zur Außenbordexposition mit Pflanzensamen durchgeführt. Ich bin davon überzeugt, dass es mit dem Eintritt der Raumstation meines Landes in eine neue Phase der Anwendungsentwicklung immer neuartiger und farbenfroher biologischer Außenbordexperimente geben wird.

Natürlich kann die Außenbord-Expositionsplattform noch viel mehr als nur diese Experimente durchführen. Nach der Ausstattung mit geeigneten Nutzlasten können hier Spitzenforschungen durchgeführt werden, beispielsweise in den Bereichen Weltraummedizin und Strahlenschutz, Entwicklung und Erprobung von Ressourcen für Weltraumstrahlung sowie Forschung zur Entstehung und Evolution des Lebens. Dies sind die kontinuierlichen Beiträge, die die Raumstation, dieser „Außenposten im Weltraum“, für die Menschheit geleistet hat. (Autor: Shi Xiaolong, Gutachter: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)