Zum Mond ist es ein Katzensprung, den mehrere Raumfahrtnationen demnächst wiederholen wollen. Schon mit den Mitteln der 1960er- und 1970er- Jahre hat die Reise zum Erdtrabanten nur rund drei Tage gedauert. Der nächste große Zielpunkt der bemannten Raumfahrt ist aber der Mars. Zu unserem Nachbarplaneten braucht ein Raumschiff schon neun Monate, hin und zurück also anderthalb Jahre. In dieser Zeit wäre die Besatzung der Schwerelosigkeit und der starken Strahlung im All ausgesetzt. Welche Auswirkungen eine solche Dauerbelastung hat, ist noch lange nicht umfassend erforscht.
„Die Folgen von Schwerelosigkeit und kosmischer Strahlenbelastung lassen sich auf der Erde nur bedingt und unvollständig untersuchen“, sagt Aqeel Shamsul, der das BAMMsat-Projekt an der englischen Cranfield University leitet. „Experimente im All stellen uns vor besondere Herausforderungen und sind in an den ziemlich teuren Raketentransport einschließlich Astronautenzeit und Logistik geknüpft. Das wiederum schränkt die Möglichkeiten für die Forschung an biologischen Systemen unter Weltraumbedingungen stark ein.“
CubeSats – das Niedrigpreissegment der Raumfahrt
Seine studentische Arbeitsgruppe hat sich vor einigen Jahren zum Ziel gesetzt, eine praktische und kostengünstige Lösung für dieses Dilemma zu finden. Die Idee war, ein automatisiertes Miniaturlabor zu entwickeln, das selbständig ein Vielzahl von Versuchen an Mikrobenkulturen und einfachen höheren Lebewesen durchführen kann. Die Dimensionen waren vorgegeben: Der Versuchsaufbau sollte in einen „3U CubeSat“ passen.
CubeSats – die Bezeichnung ist eine Abkürzung für „Würfelsatellit“ – werden seit 2004 verwendet. Dabei handelt es sich um standardisierte würfelförmige Module für Kleinsatelliten mit geringem Startgewicht und entsprechend niedrigen Startkosten. Mit ihnen ist eine Art Niedrigpreissegment der Raumfahrt entstanden. Der kleinste CubeSat trägt die Bezeichnung 1U (one unit - eine Einheit). Er misst rund 11×10×10 Zentimeter und hat eine Masse von höchstens 1,33 Kilogramm. Bei einem 3U CubeSat sind es 34×10×10 Zentimeter und vier Kilo Gewicht. Für einen Raketenstart können mehrere CubeSats, auch in unterschiedlichen Größen, zusammengefügt und die Transportkosten verteilt werden.
Ein Fadenwurm spielt Testpilot
Das Minilabor des BAMMsat-Teams passt in ein 3U-Gehäuse von den Ausmaßen eines flachen Ballerina-Schuhkartons. Die Experimente werden an Exemplaren des Caenorhabditis elegans durchgeführt. Dabei handelt es sich um einen nur einen Millimeter langen Fadenwurm, der normalerweise im Erdboden gemäßigter Klimazonen lebt. 83 Prozent seiner Gene sind mit menschlichen Genen vergleichbar, weshalb er auch auf der Erde häufig für Studien in Bereichen wie Alterungsforschung, Muskelphysiologie und Radiobiologie verwendet wird. Im All reagieren die Zellen von C. elegans auf Schwerelosigkeit und Strahlenbelastung ähnlich wie menschliche Zellen.
Als zentrales Element des kleinen Weltraumlabors dient eine runde Scheibe mit mehreren Kammern, in denen die biologischen Proben untergebracht sind. Sie haben Ein- und Ausflussöffnungen, durch die kleinste Flüssigkeitsmengen zugeführt oder entnommen werden können. So werden die Würmer mit Nahrung versorgt und von ihren Ausscheidungen befreit. Außerdem können verschiedene pharmazeutische Substanzen zugeführt werden, um deren Wirkung unter Weltraumbedingungen zu untersuchen.
Durch Drehung der Scheibe lassen sich die Kammern vor die Linse eines Mikroskops bewegen. Mit einem Spektrometer kann man biochemische Eigenschaften des Kammerinhalts wie etwa den Anteil von Proteinen bestimmen. So lassen sich zahlreiche unterschiedliche Versuche im selben System vornehmen – ein Novum bei solchen Geräten. Statt des Fadenwurms könnten die Kammern zum Beispiel auch Mikrobenkulturen enthalten. Die Untersuchungsdaten werden vom Bordcomputer gesammelt und an die Erde geschickt.
Drehmoment für die Drehscheibe
„Bei diesem Projekt kam es nicht zuletzt darauf an, mit möglichst wenig Gewicht auszukommen“, erzählt Aqeel Shamsul. „Nur so konnten wir das Modul in den 3U CubeSat einpassen und damit auch die wirtschaftliche Machbarkeit sichern. Eines der wichtigen Elemente war hier der Antrieb der Probenscheibe. Er muss nicht nur sehr klein und sehr leicht sein, sondern gleichzeitig ein hohes Drehmoment liefern und während der geplanten Einsatzzeit von mehreren Monaten bis zu einem Jahr sehr präzise arbeiten.“
Das BAMMsat-Team hatte ursprünglich einen Schrittmotor für diese Aufgabe vorgesehen. Die Experten der britische FAULHABER-Tochter EMS brachten eine andere Lösung ins Spiel: Für die besonderen Anforderungen dieser Anwendung erwies sich der bürstenbehaftete DC-Motor der Serie SR mit 22 Millimeter Durchmesser als optimal. Ein Encoder des Typs IEH3-4096 liefert die Grundlage für die fein abgestimmte Steuerung; ein Planetengetriebe der Ausführung 20/1R sorgt für die Maximierung des Drehmoments. Damit wird sichergestellt, dass die Probenkammern immer in die gewünschte Position fahren und die Versuche wie geplant durchgeführt werden können.
Seine Feuertaufe hat das Minilabor im Herbst letzten Jahres bestanden. Am 21. Oktober wurde es in Nordschweden mit einem Ballon in die Stratosphäre befördert. Dort blieb es fünf Stunden, während alle Bordsysteme ihre Testläufe unter weltraumähnlichen Bedingungen absolvierten – mit vollem Erfolg. Das CubeSat-Modul landete anschließend, von einem Fallschirm gebremst, unversehrt in Finnland. Der erste Start mit einer Rakete ist für 2024 geplant; das BAMMsat-Team will weitere Module produzieren und damit preisgünstige Bio-Forschung im Weltraum praktikabel machen. „Ich glaube, dass wir mit unserer Technologie einiges zur Weiterentwicklung der bemannten Raumfahrt beitragen können“, sagt Aqeel Shamsul. „Davon abgesehen eröffnen sich mit unserem Minilabor ganz neue und vor allem finanzierbare Möglichkeiten, ausgiebige Versuchsreihen im Bereich Biochemie unter Weltraumbedingungen durchzuführen.“
