De maan, die binnenkort door verschillende ruimtevaartlanden zal worden bezocht, ligt op slechts een steenworp afstand. Zelfs met de technologie van de jaren zestig en zeventig duurde de reis naar de satelliet van de aarde slechts drie dagen. De volgende belangrijke bestemming voor bemande ruimtevluchten is echter Mars. Een ruimtevaartuig heeft negen maanden nodig om onze buurplaneet te bereiken – de rondreis neemt dus anderhalf jaar in beslag. Gedurende deze tijd zal de bemanning worden blootgesteld aan zwaartekracht en de hoge stralingsniveaus die in de ruimte worden aangetroffen. Welk effect dergelijke langdurige omstandigheden hebben, is lang niet volledig onderzocht.
"De gevolgen van zwaartekracht en blootstelling aan kosmische straling kunnen hier op aarde slechts gedeeltelijk worden onderzocht", aldus Aqeel Shamsul, die toezicht houdt op het BAMMsat-project aan de Cranfield University, Engeland. "Experimenten in de ruimte vormen bijzondere uitdagingen en vereisen relatief duur rakettransport. Dit beperkt op zijn beurt de mogelijkheden voor onderzoek naar biologische systemen onder ruimtecondities."
Lowcost ruimtevaartsegment
Een aantal jaren geleden stelde een studentenwerkgroep zichzelf ten doel om voor dit dilemma een praktische en goedkope oplossing te vinden. Het idee was om een geautomatiseerd miniatuurlaboratorium te ontwikkelen dat autonoom allerlei experimenten kan uitvoeren op microbiële culturen en eenvoudige hogere organismen. De dimensies van dit project waren vooraf gedefinieerd: De testopstelling moest passen in een "3U CubeSat".
CubeSats – ook wel kubusvormige satellieten genoemd – worden sinds 2004 gebruikt. Het zijn gestandaardiseerde kubusvormige modules voor kleinschalige satellieten met een laag lanceergewicht en dienovereenkomstig lage lanceerkosten. Ze luidden het begin in van een soort lowcost ruimtevaartsegment. De kleinste CubeSat heeft de aanduiding 1U (one unit). Deze is ongeveer 11×10×10 centimeter groot en weegt maximaal 1,33 kilogram. Een 3U CubeSat is 34×10×10 centimeter groot en weegt vier kilo. Verschillende CubeSats, ook satellieten van verschillende afmetingen, kunnen samen op een raket worden gelanceerd en de transportkosten kunnen worden gedeeld.
Proefobject: Nematode
Het minilab van het BAMMsat-team past in een 3U-behuizing, die ongeveer even groot is als een schoenendoos voor een paar platte balletpumps. De experimenten zijn uitgevoerd op exemplaren van Caenorhabditis elegans. Dit is een nematode die slechts één millimeter lang is en normaal in de bodem leeft in gematigde klimaatzones. 83 procent van zijn genen is vergelijkbaar met menselijke genen, daarom wordt hij op aarde vaak gebruikt voor onderzoeken op het gebied van gerontologie, spierfysiologie en radiobiologie. In de ruimte reageren de cellen van C. elegans op zwaartekracht en blootstelling aan straling op een vergelijkbare manier als menselijke cellen.
Een belangrijk element van het miniatuurruimtelaboratorium is een ronde schijf met verschillende kamers waarin de biologische exemplaren worden bewaard. De kamers hebben in- en uitlaatopeningen waardoor minieme hoeveelheden vloeistof kunnen worden toegevoerd of afgevoerd. Hierdoor kunnen de nematodes van voedsel worden voorzien en kunnen hun uitscheidingen worden afgevoerd. Verder worden ook verschillende farmaceutische stoffen aangevoerd om hun effect onder ruimtecondities te bestuderen.
Door de schijf te draaien, kunnen de kamers voor een microscooplens worden bewogen. Een spectrometer kan biochemische eigenschappen van het materiaal in de kamer bepalen, zoals het aandeel eiwitten. Op deze manier is het mogelijk om veel verschillende experimenten binnen hetzelfde systeem uit te voeren – een noviteit voor dergelijke instrumenten. In plaats van nematodes zouden de kamers bijvoorbeeld ook microbiële culturen kunnen bevatten. De gegevens van de experimenten worden door de boordcomputer verzameld en naar de aarde gestuurd.
Koppel voor de roterende schijf
"Een van de belangrijkste aspecten van dit project was om het gewicht tot een minimum te beperken", legt Aqeel Shamsul uit. "Hierdoor konden we de module in de 3U CubeSat plaatsen en de economische haalbaarheid van het project garanderen. Een belangrijk element hier was de aandrijving voor de monsterschijf. Deze moet niet alleen extreem klein en licht zijn, maar ook een hoog koppel leveren en uiterst nauwkeurig werken gedurende de hele missietijd van enkele maanden tot een jaar."
Het BAMMsat-team was oorspronkelijk van plan om voor deze taak een stappenmotor te gebruiken. Experts van de Britse FAULHABER-dochter EMS kwamen met een andere oplossing: De DC-borstelmotor van de SR-serie met een diameter van 22 millimeter bleek ideaal voor de speciale vereisten van de toepassing. An encoder IEH3-4096 vormt de basis voor de fijn afgestemde besturing; een planetaire overbrenging 20/1R 23:1 maximaliseert het koppel. Deze zorgt ervoor dat de monsterkamers altijd naar de gewenste positie bewegen en dat de experimenten kunnen worden uitgevoerd zoals gepland.
Het minilab heeft in de herfst van vorig jaar zijn vuurdoop doorstaan. Op 21 oktober bracht een ballon het in het noorden van Zweden de stratosfeer in. Het minilab bleef daar vijf uur, gedurende welke tijd alle systemen aan boord met succes tests doorstonden die werden uitgevoerd onder omstandigheden vergelijkbaar met die in de ruimte. Vervolgens landde de CubeSat-module, afgeremd door een parachute, onbeschadigd in Finland. De eerste lancering per raket is gepland voor 2024; het BAMMsat-team is van plan verdere modules te produceren en daarmee goedkoop bio-onderzoek in de ruimte mogelijk te maken. "Ik geloof dat we met onze technologie een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de verdere ontwikkeling van bemande ruimtevluchten", aldus Aqeel Shamsul. "Afgezien daarvan opent ons minilab geheel nieuwe en vooral financierbare mogelijkheden voor het uitvoeren van uitgebreide series biochemische experimenten onder ruimtecondities."
