Infrastruktur auf der Internationalen Raumstation ISS Experimente unter Schwerelosigkeit durchführen

BIOTESC ist verantwortlich für die Experimente im Inkubator KUBIK und der Forschungsanlage Biolab sowie alle Aktivitäten mit dem Kleincomputer AstroPi. Im Falle von Kubik und AstroPi bereitet BIOTESC als Geräteverantwortliche auch Wartungs- und Reparaturaktivitäten vor.

AstroPi Computer

AstroPi

Der Raspberry Pi ist ein kleiner, günstiger und relativ leistungsstarker Computer. Er wurde entwickelt von der britischen Stiftung Raspberry Pi Foundation mit dem Ziel, jungen Menschen den Zugang zu Programmierkenntnissen zu erleichtern. 
Zwei solche Raspberry Pi Computer - genannt „AstroPi“ - wurden im Dezember 2015 auf der ISS installiert. Die beiden AstroPis bestehen jeweils aus einem Raspberry Pi Modell B+ mit Kamera Modul und verschiedenen peripheren Sensoren, welche Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit und Beschleunigung messen können.
AstroPi kann mit minimalem zeitlichen Aufwand der Astronauten auf der ISS betrieben werden: Die beiden Computer sind an das ISS LAN angeschlossen und BIOTESC kann direkt vom Kontrollraum in Hergiswil darauf zugreifen, Programme installieren und Dateien herunterladen.

Die ESA haben in Zusammenarbeit mit der Raspberry Pi Stiftung ein Bildungsprogramm für Europäische Schulen entwickelt, welches die AstroPi Plattform nutzt um Schülern das Programmieren und die Informatik im Zusammenhang mit den diversen Anforderungen der Weltraumindustrie näherzubringen. In den jährlichen Wettbewerben werden Schüler aufgefordert, Programme zu schreiben welche bestimmte Aufgaben auf der ISS erfüllen. Die Programme können dann auf dem AstroPi ausgeführt werden, und die Resultate können heruntergeladen und an die Schulen verteilt werden.

Zusätzlich zu den Bildungsprogrammen kann der AstroPi auch andere wichtige Service-Funktionen übernehmen, zum Beispiel die Überwachung der Umgebungsbedingungen oder als Werkzeug für den Datentransfer von anderen Anlagen auf der ISS.

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Biolab

Biolab ist ein Labor für biologische Experimente im Columbus-Modul auf der Internationalen Raumstation ISS. Im Biolab können Experimente an Mikroorganismen, Zellkulturen, Pflanzen oder kleinen Wirbellosen durchgeführt werden. Das Labor ist in ein sogenanntes Standard Payload Rack eingebaut und beinhaltet unter anderem einen Inkubator mit Zentrifugen, ein Mikroskop, einen Roboterarm für den automatisierten Transfer von Flüssigkeiten sowie zwei Gefrierschränke für die Lagerung von wärmeempfindlichen biologischen Proben.

Mit Hilfe dieses kompakten Labors soll die Rolle der Schwerkraft und der kosmischen Strahlung auf die verschiedenen Ebenen des Lebens, von der Zelle bis zum komplexen Organismus, untersucht werden.

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Am Anfang eines biologischen Experiments auf der ISS steht ein Team aus Wissenschaftlern, meist aus einer Europäischen Forschungseinrichtung, die ihre Proben in der Schwerelosigkeit untersuchen möchten und dafür einen Antrag bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) einreichen. Die ESA schliesslich wählt die passende Anlage aus, in der das Experiment durchgeführt werden soll. Für Experimente im Biolab oder KUBIK wird BIOTESC für die Planung und Durchführung beauftragt. 

Die biologischen Proben für Biolab werden in einem kleinen Container zur ISS gebracht und dort manuell vom Astronauten ins Biolab eingesetzt. Die weiteren Untersuchungen können zum Teil automatisiert durchgeführt werden, zum Teil muss der Astronaut aber auch bestimmte Aktivitäten selbst durchführen. Die Rolle von BIOTESC ist unter anderem die Planung dieser Aktivitäten und das Erstellen von detaillierten Arbeitsanleitungen für die Astronauten.

Die grösste Herausforderung bei der Planung eines Experiments in Biolab ist die Komplexität der Anlage, kombiniert mit den strikten Anforderungen der Biologie. Biologische Proben haben eine beschränkte Lebensdauer, und kommen daher oft in gefrorenem Zustand auf die ISS. Nach dem Auftauen beginnt ein «Rennen gegen die Zeit», wobei auch die Temperaturbedingungen sehr strikt eingehalten werden müssen.

Zudem ist die Arbeitszeit eines Astronauten eine wertvolle Ressource und der tägliche Arbeitsplan der ISS-Besatzung dementsprechend voll. Es erfordert also einen grossen koordinativen Aufwand, um die «Arbeitseinsätze», welche für die Durchführung des Experiments notwendig sind, zu planen.

Der zeitliche Ablauf eines Experiments wird vor dem Flug zur ISS mehrmals am Boden getestet, um die optimalen Bedingungen zu finden. Davon finden mindestens zwei Tests in einem Nachbau des Biolabs statt. Es können durchaus mehrere Jahre vergehen, bis alle Faktoren zu einem sinnvollen Gesamtablauf zusammengefügt sind.

Zusätzlich zu der Vorbereitung der Experimente unterstützt BIOTESC die Astronauten auch direkt bei ihren Arbeitseinsätzen am Biolab, indem indirekt über Funk für Fragen beantwortet werden. Bei der Planung und Durchführung wird Biotesc von Experten aus Köln (D) unterstützt, die sich hauptsächlich um die technischen Funktionen von Biolab kümmern und das Kommandieren der Anlage vom Boden aus übernehmen.

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KUBIK

KUBIK ist eine echte Erfolgsgeschichte: Seit dem Jahr 2006 auf der Internationalen Raumstation ISS, wurden regelmässig biologische Experimente erfolgreich in KUBIK durchgeführt.

Die Anlage ist im Wesentlichen ein tragbarer Inkubator, der auch als Kühleinheit konfiguriert werden kann. Eine eingebaute Zentrifuge ermöglicht die Erzeugung von künstlicher Schwerkraft und damit einen direkten Vergleich zu der auf der ISS herrschenden Schwerelosigkeit.

Biologische Proben (von Zellen bis hin zu kleineren komplexen Organismen) werden in Experiment Containern auf die ISS gebracht und dort so schnell wie möglich in KUBIK installiert, denn die biologischen Proben haben im Allgemeinen eine begrenzte Lebensdauer. Einmal im Kubik, beziehen die Experiment Container Strom von der Anlage und können so programmiert werden, dass sie selbstständig und zu vorgegeben Zeitpunkten bestimmte Aktionen ausführen, beispielsweise die Zellen mit frischem Nährmedium versorgen. Die prozessierten Proben schliesslich werden von den Wissenschaftlern nach Beendigung des Experiments wieder auf die Erde zurückgebracht.

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Das Ziel der Experimente ist (wie auch bei Biolab) die Erforschung der Auswirkungen von Schwerelosigkeit und Weltraumstrahlung auf lebende Zellen. Im Gegensatz zu anderen Anlagen auf der ISS kann KUBIK nicht vom Boden aus kommandiert werden, alle Manipulationen am KUBIK müssen von einem Astronauten vorgenommen werden. KUBIK liefert Daten über das Temperaturprofil und die Zentrifugenaktivität, aber diese werden nicht in Echtzeit übertragen und müssen ebenfalls von einem Astronauten von KUBIK auf einen Laptop kopiert werden.

Bei den biologischen Proben handelt es sich um lebendes Material, das sehr anfällig auf Temperaturschwankungen oder zeitliche Verzögerung reagiert. Daher ist die Flexibilität bei der Experimentausführung gering, was eine solide Planung und Koordination im Vorfeld umso wichtiger macht. BIOTESC ist verantwortlich für die Planung der Aktivitäten am KUBIK und stellt Arbeitsanleitungen zur Verfügung. Auch die Testläufe am Boden vor den Experimenten werden von BIOTESC in Zusammenarbeit mit den Wissenschaftlern und Hardware-Spezialisten organisiert und durchgeführt. Zusätzlich zu der Vorbereitung der Experimente unterstützt BIOTESC die Astronauten auch bei der Ausführung des Experiments am KUBIK, indem indirekt über Funk für Fragen gestellt werden können.