Quelle: ESA.

Proben, die Matthias zur Verfügung gestellt hat, und Tests, die er vor dem Start durchgeführt hat, dienen als Ausgangsbasis für Ergebnisse im Weltraum. Viele der von Matthias unterstützten Humanexperimente erfordern dasselbe, wenn er zur Erde zurückkehrt. Dies ermöglicht den Forscherinnen und Forschern eine gründliche Analyse der Auswirkungen der Schwerelosigkeit und ein besseres Verständnis der Auswirkungen eines Langzeit-Raumflugs auf den menschlichen Körper.

Humanexperimente – alt und neu
Einige Namen der Humanexperimente, an denen Matthias mitwirkt, klingen vielleicht noch bekannt: Kurz nach seiner Ankunft im Orbit führte er seine erste Versuchsreihe mit dem DLR-Experiment Myotones durch, das Alexander Gerst bereits im Rahmen der ESA-Mission Horizons im Jahr 2018 durchführte.

Mit einem Gerät, das ein wenig wie ein Tricorder aus Star Trek aussieht, misst Myotones die biochemischen Eigenschaften der Muskeln wie Muskeltonus, Steifheit und Elastizität während eines Langzeit-Raumflugs. Doch dieses Mal wurde das Experiment mit einer neuen DLR-Studie kombiniert, die unter der wissenschaftlichen Leitung des Zentrums für Weltraummedizin der Charité in Berlin und des Europäischen Astronautenzentrums (EAC) der ESA durchgeführt wird: EasyMotion.

EasyMotion nutzt einen EMS-Anzug (Elektro-Muskel-Stimulation), um die Muskulatur des Trägers beim Training zu aktivieren und so die körperliche Fitness im Weltraum zu optimieren. Die kombinierten Daten vor, während und nach dem Flug werden verwendet, um die physiologische Belastung der Astronautinnen und Astronauten zu verstehen, und könnten zu neuen Rehabilitationsbehandlungen auf der Erde beitragen.

Zu den anderen „Wearables“ beziehungsweise Technologien, die Matthias in den letzten 100 Tagen am Körper getragen hat, gehören ein Wärmesensor an seiner Stirn zur Überwachung seiner Kerntemperatur und seines zirkadianen Rhythmus für das Thermo-Mini-Experiment des DLR, ein Stirnband zur Überwachung der verschiedenen Schlafphasen und der Schlafeffizienz für das Experiment DREAMS der französischen Raumfahrtagentur CNES sowie eine Atemmaske und zwei Geräte an seiner Brust für das DLR-Experiment Metabolic Space. Die Metabolic-Space-Geräte überwachen die Herzfrequenz sowie den Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt, während ihr Träger auf dem CEVIS-Ergometer der Station trainiert. Ziel ist es, die kardiopulmonale Diagnostik zu verbessern und die Leistung im Weltraum besser zu beurteilen, ohne die Mobilität einzuschränken.

Eine ausgewogene Ernährung ist ein weiterer wichtiger Aspekt für die Erhaltung der Gesundheit im Weltraum. Das bereits bekannte Experiment „Nutrition Monitoring for the International Space Station“ (NutrISS)  der italienischen Weltraumagentur ASI hat Matthias dabei unterstützt, seine Energiezufuhr zu verfolgen und anzupassen.

Mit einer speziellen Waage misst Matthias seine Körperzusammensetzung und -masse in der Schwerelosigkeit. Diese Daten zusammen mit den Ernährungsinformationen, die über die von der französischen Raumfahrtagentur CNES in Zusammenarbeit mit den Weltraummedizinerinnen und -medizinern von MEDES entwickelte Everywear-App bereitgestellt werden, ermöglichen es den Spezialistinnen und Spezialisten am Boden, seine Ernährung zu überwachen und bei Bedarf Empfehlungen zu geben.

Als Augen und Ohren Europas im Weltraum standen natürlich auch Matthias‘ Seh- und Hörvermögen im Fokus. Matthias und seine NASA-Crewkollegen Thomas Marshburn und Raja Chari haben ihre Augen für Retinal Diagnostics zur Verfügung gestellt – ein ESA/DLR Experiment, bei dem ein KI-Modell zur Diagnose von Veränderungen des Sehnervs bei längeren Aufenthalten im Weltraum untersucht und entwickelt wird. Matthias hat auch sein Gehör im Rahmen des ASI-Experiments Acoustic Diagnostics getestet. Bei diesem Experiment werden die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf das Gehör einer Astronautin oder eines Astronauten untersucht, indem Kopfhörer mit einem speziellen Messgerät verwendet werden, das die Reaktion des Ohrs auf Schall überwacht.

Berührende Angelegenheiten
„Gründliches und häufiges Händewaschen“ sind zu Schlagwörtern im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie geworden. Denn Mikroorganismen lassen sich leicht über gewöhnliche Oberflächen wie Türklinken und Lichtschalter verbreiten, und das gilt auch für den Weltraum.

In der Kubik-Anlage, einem temperaturgesteuerten Inkubator zur Untersuchung biologischer Proben im europäischen Columbus-Modul der ISS, wurde in einem DLR-Experiment mit dem Namen Biofilms das Wachstum von Bakterien wie dem mit der menschlichen Haut assoziierten Bakterium Staphylococcus capitis untersucht.

Bei einem weiteren DLR-Experiment mit der Bezeichnung „Touching Surfaces“ wird eine Reihe von fünf Plättchen aus verschiedenen Materialien der Innenumgebung der Raumstation ausgesetzt. Matthias und seine Astronautenkolleginnen und -kollegen wurden aufgefordert, diese Plättchen häufig zu berühren, bevor sie zur Analyse auf die Erde zurückgebracht werden.

Die Handhabung von Objekten in der Schwerelosigkeit
Während seine NASA-Kollegin und -kollege Kayla Barron und Raja Chari die europäischen Experimente Grip und Grasp unterstützten, widmete Matthias sich dem CNES-Experiment Ultrasonic Tweezers. Dieses Experiment zielt darauf ab, Objekte oder Flüssigkeiten mit der Kraft von Schall zu bewegen, zu bearbeiten und zu untersuchen, ohne jemals mit ihnen in Kontakt zu kommen.

Eine akustische Pinzette verwendet Ultraschall zum Einfangen von Objekten. Durch die Bewegung des Schallstrahls ist es möglich, ein Objekt mit großer Präzision zu bewegen. Das Experiment „Ultrasonic tweezers“ untersucht, wie diese Technik in der Schwerelosigkeit eingesetzt werden kann, um kleine Plastik- oder Glasmurmeln einzufangen und sie durch einen Hindernisparcours zu bewegen. Wenn das Experiment erfolgreich verläuft, soll es auf der Raumstation bleiben und von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und Astronautinnen und Astronauten genutzt werden, um andere Materialien, Gele und Flüssigkeiten und sogar gefährliche Materialien oder biologisches Material ohne Kontaminationsgefahr zu untersuchen.

Der Vorläufer von „gedruckter“ Haut
Das Bioprint-First-Aid-Experiment des DLR könnte dazu führen, dass Astronautinnen und Astronauten bei Missionen fern der Erde Pflaster aus ihren eigenen Hautzellen drucken. Matthias startete jedoch zunächst mit fluoreszierenden Mikropartikeln in Kombination mit zwei schnell aushärtenden Gelen.

Mit einem tragbaren Biodrucker druckte Matthias gipsähnliche Wundabdeckungen auf seine mit Folie bedeckten Gliedmaßen. Diese Abdeckungen werden dann zur Erde zurückgeschickt, wo sie analysiert und getestet werden, um die Technologie für den Weltraum weiter zu verfeinern.

Altern im Weltraum
Zurück im Kubik-Minilabor und nach einer neuen Lieferung vorweihnachtlicher wissenschaftlicher Experimente hat Matthias synthetische Muskelzellen von der Größe eines Reiskorns für die Inkubation bei 37 °C vorbereitet. Einige dieser Zellen wurden elektrisch stimuliert, um Kontraktionen in der Schwerelosigkeit auszulösen, während andere durch Zentrifugation der künstlichen Schwerkraft für ein Experiment der britischen Weltraumbehörde, UK Space Agency, namens Microage ausgesetzt wurden.

Die Zellen kehrten mit dem Cargo Dragon 24 zur Analyse auf die Erde zurück. Die Erkenntnisse aus diesem Experiment könnten eines Tages dazu beitragen, dass Menschen ihre Kraft und Beweglichkeit bis ins hohe Alter besser erhalten können, da die Forscherinnen und Forscher besser verstehen, wie sich Muskeln abbauen.

Konkrete Ergebnisse
Matthias hat seinem Nachnamen alle Ehre gemacht, indem er im Weltraum Betonproben anrührte.

Mit dem DLR-Experiment MASON/Concrete Hardening soll untersucht werden, wie verschiedene Betonmischungen aus Zement und Sand oder simuliertem Mondstaub in Kombination mit Wasser und verschiedenen Zusatzstoffen in der Schwerelosigkeit aushärten. Diese Erkenntnisse werden zur Entwicklung neuer, verbesserter Betonmischungen für den Bau von Habitaten auf dem Mond, dem Mars und von nachhaltigem Wohnraum auf der Erde beitragen.

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• Matthias Maurer auf ISS Expedition 66-67

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Quelle: DLR.

22. Dezember 2021 – So plötzlich, wie die (An-)Spannung da ist, so plötzlich ist sie einige Sekunden später auch wieder weg: Sie läuft durch die Arm- und Beinmuskulatur von Matthias Maurer – nicht stark, aber dennoch extrem effektiv. Denn diese leichte Anspannung stimuliert seine sogenannte Skelettmuskulatur und unterstützt den deutschen ESA-Astronauten so beim Training auf der Internationalen Raumstation ISS. Ausgelöst wird die Anspannung durch einen neuen Fitnessanzug für den spezifischen Einsatz in Schwerelosigkeit. „Elektro-Muskel-Stimulation (EMS) ist eine moderne Trainingsmethode, bei der Muskelpartien durch schwache Stromimpulse angespannt werden. Wird diese erhöhte Grundspannung wie in unserer EasyMotion-Technologie-Demonstration mit einem gezielten Muskeltraining kombiniert, kann das den Trainingserfolg deutlich erhöhen. An Bord der ISS verbessert Matthias Maurer auf diese Weise erstmals mit einem stimulierenden EMS-Anzug sein Fitnessprogramm, das aus Laufen, Radfahren und Krafttraining besteht“, erklärt Dr. Christian Rogon, EasyMotion-Projektleiter bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, in deren Verantwortung das Experiment gemeinsam mit der Charité Berlin, der OHB System AG und der EMS GmbH durchgeführt wird. Am 22. Dezember 2021 wurden die ersten Daten von der Raumstation zu den das Experiment betreuenden Wissenschaftlern auf der Erde geschickt.

Ein Anzug für die Wissenschaft und die Freizeit
Doch warum kann Elektro-Muskel-Stimulation eigentlich den Trainingserfolg verbessern? Wir können uns nur fortbewegen, weil Muskeln in Rumpf und Gliedmaßen unserem Körper Stabilität verleihen. Dabei arbeiten sie auf der Erde gegen die Schwerkraft und trainieren sich so selbst. Um Muskelschwund und den dadurch bedingten Knochenabbau in Schwerelosigkeit zu verhindern, trainieren Astronautinnen und Astronauten täglich rund zweieinhalb Stunden an Bord der ISS. Wenn diese bestimmten Muskelpartien zusätzlich angeregt werden, kann der Trainingserfolg fast wie von selbst gesteigert werden. Matthias Maurer trainiert mit dem EMS-Anzug 20 Minuten pro Einheit. Wie kommt der Anzug bei dem deutschen Astronauten an? „Matthias Maurer hat bereits den achten Trainingslauf mit dem Fitnessanzug gemacht. Er nutzt ihn sehr gerne und trägt ihn sogar in seiner Freizeit. Das lässt darauf schließen, dass der Anzug gut funktioniert und er sich darin wohl fühlt“, sagt Christian Rogon. Wohlfühlen ist das eine, eine wirkliche Verbesserung des Trainings das andere. „Wir sind schon sehr auf die Daten gespannt. Sie werden uns zeigen, wie effektiv die EMS-Methode wirklich ist. Trainingsdaten, die wir von Tests auf der Erde haben, lassen darauf schließen, dass wir auch auf der ISS eine Verbesserung des Trainings erzielen werden“, erläutert Prof. Dieter Blottner, wissenschaftlicher Leiter des Projekts am Zentrum für Weltraummedizin der Charité-Universitätsmedizin in Berlin.

Ein Anzug für den Weg in die Tiefen des Weltraums und für die Therapie auf der Erde
Die Forschung, die Matthias Maurer im Rahmen von EasyMotion betreibt, ist nicht nur für seinen persönlichen Trainingsplan gut. Das Projekt zielt auch auf künftige Einsätze im Weltraum sowie auf Einsätze auf der Erde ab. „Auf der ISS haben die Astronauten relativ viel Platz für Trainingsgeräte, weil die Raumstation an sich sehr groß ist. Wollen die Astronautinnen und Astronauten weiter hinaus ins Weltall fliegen – etwa wie im aktuellen Artemis-Programm der NASA vorgesehen zu Mond und Mars – werden auch die Raumschiffe kleiner und der Platz für Trainingsgeräte schrumpft. Wenn der EMS-Anzug das Fitnessprogramm effizienter macht, könnte er auch für solche Reisen ideal geeignet sein“, schildert EMS-Projektleiter Christian Rogon. So soll im Februar 2022 noch ein weiterer EMS-Anzug zur ISS transportiert werden. „Wir hoffen sehr, dass EMS zum Standard im Training der Crew auf der ISS werden kann. Aber auch auf der Erde kann das EasyMotion-Projekt den Menschen helfen – etwa für die Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten gegen Muskel- und Knochenschwund, beim Muskelaufbau in der Rehabilitation oder um den Trainingserfolg im Kraft- und Fitnesssport zu steigern“, verdeutlicht DLR-Projektleiter Rogon.

Über das EasyMotion-Projekt
Die Technologie-Demonstration EasyMotion (EMS-TECH) wird im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn durchgeführt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWi) finanziert. Wissenschaftlich geleitet wird das EMS-Projekt vom Zentrum für Weltraummedizin an der Berliner Charité und vom Europäischen Astronautenzentrum der europäischen Weltraumorganisation ESA technisch begleitet. Das Trainingssystem EasyMotionSkin und die dazugehörige App wurde von der EMS GmbH entwickelt und für die Nutzung im Weltraum angepasst. Der deutsche Raumfahrtkonzern OHB System AG hat das System für die Mission qualifiziert.

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: Charité.

11. November 2021 – Die Projekte beschäftigen sich mit der Überwachung der Körpertemperatur und der Muskeleigenschaften im All, einem verbesserten Training gegen Muskelabbau sowie veränderten Kontakten zwischen Zellen unter Schwerelosigkeit. Die einzelnen Experimente werden durch das nationale Raumfahrtprogramm der deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA koordiniert. Das DLR fördert die Projekte der Charité mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) von insgesamt über 1,5 Millionen Euro.

Am Donnerstagmorgen mitteleuropäischer Zeit hob die SpaceX-Trägerrakete vom Kennedy Space Center ab, dem Weltraumbahnhof der National Aeronautics and Space Administration (NASA) in Florida, USA. Die Mission „Cosmic Kiss“ bringt die vierköpfige Besatzung an Bord einer Crew-Dragon-Raumkapsel zur Internationalen Raumstation ISS, wo sie bis April 2022 bleiben soll. Auch der ESA-Astronaut Dr. Matthias Maurer ist – als 12. Deutscher im All und 4. Deutscher auf der ISS – Teil der Crew, neben drei US-amerikanischen Astronauten der NASA. Für ihn ist es der erste Raumflug, seit April 2020 bereitet er sich auf die Mission vor.

Der 51-jährige Materialwissenschaftler Dr. Maurer hat eine Reihe von Experimenten für den sechsmonatigen Aufenthalt eingeplant. Die deutsche Raumfahrtagentur im DLR ist für die Auswahl und Koordination der Experimente aus Deutschland verantwortlich, die bereits viele Stationen für die Erprobung durchlaufen haben – etwa auf Parabelflügen. Das beim DLR ansässige Columbus-Kontrollzentrum der Europäischen Weltraumorganisation ESA ist für die Planung und Durchführung der Experimente zuständig, die im europäischen Columbus-Modul auf der ISS erfolgen sollen. Unter den über 100 Experimenten, die Dr. Maurer dort durchführen wird, sind 35 mit deutscher Beteiligung. Sie reichen von Grundlagenforschung bis hin zu anwendungsorientierter Forschung in lebens-, natur- und materialwissenschaftlichen Bereichen. Mit an Bord sind auch vier Projekte, an deren Entwicklung die Charité beteiligt ist.

„Wegen der vorherrschenden Schwerelosigkeit bietet uns die ISS einmalige Bedingungen. Hier lassen sich biologische und physikalische Vorgänge weitgehend ohne Störeffekte untersuchen, wie es in keinem Labor auf der Erde möglich wäre. Wir freuen uns über diese Gelegenheit und sind sehr gespannt, wie sich die Projekte bewähren“, sagt Prof. Dr. Hanns-Christian Gunga, stellvertretender Direktor des Instituts für Physiologie der Charité und Sprecher des dort angesiedelten Zentrums für Weltraummedizin und Extreme Umwelten Berlin (ZWMB).

Die Projekte mit Beteiligung der Charité im Einzelnen:
Thermo-Mini
Die Physiologie des menschlichen Körpers ist an die Schwerkraft auf der Erde angepasst, so auch die Regulation der Körpertemperatur. Das Aufrechterhalten einer konstanten Körperkerntemperatur ist in der Schwerelosigkeit gestört, es kommt zu einem dauerhaften Temperaturanstieg – dem sogenannten Weltraumfieber. Damit Astronauten wie Dr. Maurer beim Sport oder bei Außenbordeinsätzen nicht überhitzen und ihre Gesundheit gefährden, wird im Projekt Thermo-Mini die Körperkerntemperatur und Tagesrhythmik durch einen miniaturisierten Thermosensor an einem Stirnband aufgezeichnet. Dieser sogenannte Wärmeflusssensor ermöglicht eine zuverlässige, schnelle und schmerzfreie Temperaturmessung kontinuierlich über einen längeren Zeitraum hinweg.

Die so gewonnenen Daten sollen klären, inwiefern der Mini-Thermosensor für einen Langzeiteinsatz im Weltall geeignet ist. Zukünftig könnten diese Messungen in die Standardüberwachung der Gesundheit von Astronautinnen und Astronauten aufgenommen werden. Aber auch in anderen extremen Arbeitssituationen – etwa in Bergwerken oder bei Feuerwehreinsätzen – könnten sie zum Einsatz kommen.

Myotones
Für die Besatzung der ISS ist ein geeignetes Muskelaufbautraining in der Schwerelosigkeit unabdingbar, um einem Abbau der Muskulatur und einer eingeschränkten körperlichen Leistungsfähigkeit vorzubeugen. Um Anzeichen eines Muskelabbaus nachvollziehen und entgegenwirken zu können, werden im Projekt Myotones die wichtigsten biophysikalischen Eigenschaften des Muskels dokumentiert. Während der gesamten Mission sowie davor und danach werden der Muskeltonus – also die Ruhespannung – sowie die Steifigkeit und Elastizität der ruhenden Muskulatur beim Astronauten kontinuierlich überwacht.

Für die Messungen verwendet der Astronaut das handliche Messgerät MyotonPRO, das etwa die Größe eines Smartphones hat. Mit dessen Hilfe können auf etwa zehn Hautmesspunkten am ganzen Körper die biophysikalischen Messparameter der darunterliegenden Strukturen wie Muskeln, Sehnen und Faszien – durch kurzes Aufsetzen eines kleinen Messfühlers – in Echtzeit ermittelt und gespeichert werden.

EasyMotion
Um das Muskeltraining während der Mission zu unterstützen, trägt der Astronaut für das Projekt EasyMotion während des Trainings auf der ISS einen speziell für die Raumfahrt qualifizierten Trainingsanzug. Durch die integrierten flachen Trocken-Elektroden wird die Muskulatur – durch sogenannte Elektro-Myo-Stimulation (EMS) mit kurzen niederfrequenten Impulsen – zusätzlich zu seinem Routinetraining unwillkürlich stimuliert. Auf diese Weise soll sich der Trainingserfolg in der Vorbereitung, während des Raumflugs sowie danach optimieren und die Trainingszeiten von derzeit etwa 2,5 Stunden pro Tag verkürzen lassen.

Wie die Muskeleigenschaften werden auch die Auswirkungen der EMS auf die Muskulatur im Zusammenhang mit dem gleichzeitig laufenden Myotones-Experiment alle 60 Tage gemessen. Die gesammelten Daten werden zeitnah zu einer Bodenstation der ESA in Toulouse, Frankreich, übermittelt und – zusammen mit dem Europäischen Astronautenzentrum (EAC) der ESA in Köln – durch das Team am ZWMB der Charité ausgewertet.

Cellbox-3
Für die Funktionsfähigkeit der Muskulatur ist der Zellkontakt zwischen Nerven- und Muskelzelle an der sogenannten neuromuskulären Synapse essenziell. Das Projekt NEMUCO/ Cellbox-3 untersucht die strukturellen und funktionellen Veränderungen dieser Zellkontakte. Dabei wird deren Neubildung in Zellkultur erstmalig unter Schwerelosigkeit erforscht.

In einem speziellen vollautomatischen Mikrolabor werden dafür dreidimensionale Zellkulturen von isolierten Nervenzellen zusammen mit jungen Muskelzellen gezüchtet und für mehrere Tage auf der ISS unter kontrollierten Kulturbedingungen gehalten. Die Zellen werden noch in Schwerelosigkeit fixiert und die Proben nach dem Rücktransport zur Erde an der Charité eingehend ausgewertet. Neben mikroskopischen Untersuchungen werden auch Sequenzierungen der RNA und Analysen des Proteoms – also der Gesamtheit der Proteine – der Zellen erfolgen. Die Erkenntnisse aus diesen Experimenten sollen helfen, die molekularen Abläufe bei der Versorgung der Muskeln durch die Nervenzellen besser zu verstehen.

Wieder zurück auf der Erde sollen die Projekte der Charité unter anderem dabei helfen, Rehabilitations- und Trainingsprogramme in Zukunft zu optimieren. „Muskeltonus und -steifigkeit sind wichtige Indikatoren der Muskelgesundheit und nicht zuletzt der körperlichen Fitness und physiologischen Leistungsfähigkeit des menschlichen Körpers – ob im Weltall oder auf der Erde“, sagt Prof. Dr. Dieter Blottner vom Institut für Integrative Neuroanatomie und vom ZWMB der Charité. „Die nichtinvasive und leicht zu handhabende digitale Technologie, die wir für unser Projekt Myotones einsetzen, könnte neben dem Einsatz in der Sportmedizin und Physiotherapie zukünftig Anwendung finden – etwa bei der klinischen Untersuchung von Personen mit Bewegungsstörungen, Skelettmuskelerkrankungen oder -verletzungen. Auf diese Weise könnte die digitale Technologie im klinischen Alltag eine objektive Begutachtung des aktuellen Gesundheitsstatus von Patientinnen und Patienten sowie eine Kontrolle ihres Therapieverlaufs gewährleisten.“

Projektförderung und Partner
Die Experimente im Rahmen der Projekte Thermo-Mini, Myotones, EasyMotion (EMS-TECH) und NEMUCO/ Cellbox-3 werden von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Bonn mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanziert. Die wissenschaftliche Leitung der Projekte übernimmt das Zentrum für Weltraummedizin und Extreme Umwelten Berlin (ZWMB) am Institut für Physiologie der Charité. Thermo-Mini wird durch Prof. Dr. Hanns-Christian Gunga wissenschaftlich geleitet. Der miniaturisierte Sensor wurde von der Firma Dräger GmbH und der Charité entwickelt und von der KORA Industrie-Elektronik GmbH für die Nutzung im Weltraum angepasst. Die Projekte Myotones und EasyMotion werden von Prof. Dr. Dieter Blottner wissenschaftlich geleitet. Die Universität Southampton in Großbritannien unterstützt das Projekt Myotones. Der hierbei miniaturisierte Sensor wurde von der estnischen Firma Myoton AS entwickelt und für die Nutzung im Weltraum angepasst. EasyMotion wird durch das Europäische Astronautenzentrum (EAC) der ESA in Köln begleitet. Das Trainingssystem EasyMotionSkin und die dazugehörige App wurde von der EMS GmbH für die Nutzung im Weltraum entwickelt. Die Firma OHB System AG hat das System für die Mission angepasst. Das Zellexperiment Cellbox-3 im Rahmen von NEMUCO wird durch Dr. Michele Salanova vom Institut für Integrative Neuroanatomie der Charité wissenschaftlich geleitet, während mit SHAPE ein weiteres Zellexperiment unter Leitung der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität in Frankfurt am Main erfolgt. Cellbox-3 wird auf der ISS in den vollautomatischen Mikrolaboren der Firma yuri GmbH durchgeführt.

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• SpaceX Crew-3 / USCV-3 (C210.1/Endurance) auf Falcon 9 (B1067.2)

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Quelle: DLR.

11. November 2021 – Mit „Cosmic Kiss“ wird für ihn ein lang gehegter Wunsch wahr: Der gebürtige Saarländer Dr. Matthias Maurer ist als vierter Deutscher am 10. November 2021 um 21:03 Uhr Ortszeit (11. November 2021, 03:03 Uhr Mitteleuropäischer Zeit, MEZ) zur Internationalen Raumstation ISS aufgebrochen. Der 51-jährige Materialwissenschaftler aus St. Wendel ist seit Juli 2015 Mitglied des Astronautenkorps der Europäischen Weltraumorganisation ESA und wurde am 14. Dezember 2020 für seine erste ISS-Mission nominiert. Matthias Maurer ist zudem der zweite Europäer, der als Missions-Spezialist an Bord einer SpaceX-Dragon-Raumkapsel mit der Seriennummer 210 und dem Namen „Endurance“ (Ausdauer) des kommerziellen NASA-Crew-Programms gemeinsam mit den NASA-Astronauten Raja Chari (Kommandant), Thomas Marshburn (Pilot) und der NASA-Astronautin Kayla Barron (Mission-Spezialistin) zur Raumstation fliegt. Die vierköpfige Besatzung wird in acht Minuten und 48 Sekunden auf Orbitalhöhe und -geschwindigkeit gebracht, um ihre Reise zur Internationalen Raumstation anzutreten. In der Zwischenzeit soll die erste Stufe der Trägerrakete Falcon 9 zur Erde zurückkehren, um wiederverwendet zu werden.

Maurer ist Mitglied der ISS-Expedition 66 und soll voraussichtlich bis April 2022 auf der Raumstation leben und arbeiten. Mehr als 100 internationale Experimente, darunter 36 aus Deutschland, stehen auf seiner Agenda. Die Falcon-9-Rakete startete vom bekannten Launch-Pad 39 A am Kennedy Space Center der NASA auf Merrit Island (Florida). Diese Startrampe nutzte die US-Raumfahrtbehörde bereits in den 1960er-Jahren für ihr „Apollo“-Mondprogramm.

„Wir sind alle sehr ruhig, das ist sicher ein Erfolg des Trainings“, sagte Matthias Maurer wenige Tage vor seinem Start. „Wir sind sehr konzentriert. Wenn wir in der Kapsel sitzen, wird die Aufregung sicher kommen. Ich bin kein Superheld und möchte auch keiner sein, hinter meiner Arbeit stecken viele, viele Leute.“

Das Docking, also die Ankunft an der Raumstation, ist 22 Stunden nach dem Start für den 11. November, 19:10 Uhr Ortszeit (12. November 2021, 01:10 Uhr MEZ) vorgesehen und wird auf NASA-TV übertragen.

Experimente aus Deutschland im Gepäck
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist vielfältig in die Mission eingebunden: Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Sitz in Bonn ist für die Auswahl und Koordination der Experimente und Beiträge deutscher Universitäten und Hochschulen sowie aus der Industrie verantwortlich. Ebenso führen DLR-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler eigene Experimente durch. Das Columbus-Kontrollzentrum der ESA, beheimatet im Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum des DLR im bayerischen Oberpfaffenhofen, ist verantwortlich für die Planung und Durchführung der Experimente, die im europäischen Columbus-Modul auf der Raumstation stattfinden. Von hier aus gehen die Daten der Experimente an die nationalen Nutzerkontrollzentren und von dort aus zu den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und den beteiligten Partnern aus der Industrie.

„Die Internationale Raumstation ISS ist ein Ort, an dem sich einzigartige Möglichkeiten für die Wissenschaft ergeben. Astronauten leben und arbeiten auf der Raumstation unter den Bedingungen der Mikrogravitation“, erläutert die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, „für Matthias Maurer ist jetzt für sechs Monate die Raumstation sein Zuhause. Er wird einen großen Teil seiner Zeit wissenschaftlichen Arbeiten in den Bereichen Humanphysiologie, Physik, Biologie, Materialwissenschaften und Strahlenschutz widmen. Allein 36 seiner Experimente kommen aus Deutschland. Dazu gehören auch Technologien, die die Art und Weise, wie wir auf der Erde leben und arbeiten, verändern werden.“

Die deutschen Experimente der „Cosmic Kiss“-Mission umfassen Grundlagenforschung wie anwendungsorientierte Wissenschaft und Technologietests aus den Bereichen Lebens- und Materialwissenschaften, Physik, Medizin, Künstliche Intelligenz oder Erdbeobachtung. Zudem steht ein umfangreiches Nachwuchs-Programm für Schülerinnen und Schüler auf der Agenda von Matthias Maurer.

„Matthias Maurer ist der zwölfte deutsche Astronaut im Weltraum und einer von aktuell sieben aktiven Astronautinnen und Astronauten der ESA. Er plant mehr als 100 wissenschaftliche Versuche, spannend sind sie alle und im Fokus steht vor allem auch der Nutzen und die Wertschöpfung durch die Experimente für uns Menschen auf der Erde. Im Zeichen der Pandemie geht es zum Beispiel darum, in der Schwerelosigkeit Oberflächen zu entwickeln, die das Wachstum von Keimen und Bakterien hemmen. Wenn wir das hinbekommen, sehe ich Anwendungen in Krankenhäusern und im öffentlichen Raum. In einem weiteren Experiment geht es um einen Sportanzug, der mit Elektroschocks Muskel- und Knochenschwund reduziert. So ein Anzug ist für Astronauten wichtig, kann aber auch vielen Millionen Menschen auf der Erde helfen, beispielsweise in der Physiotherapie“, betont Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstandsmitglied und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die im Auftrag der Bundesregierung die deutschen ESA-Beiträge verantwortet. Deutschland ist innerhalb der ESA der größte Beitragszahler für das ISS-Programm.

Forschung im All für die Menschen auf der Erde
Im Gepäck von „Crew-3“ sind auch weitere „Cosmic Kiss“-Experimente aus Deutschland: Das Experiment DOSIS 3D misst bereits seit 2012 die Strahlung innerhalb und außerhalb der ISS. Für DOSIS 3D MINI wird nun zusätzlich zu den Detektoren, die im europäischen Columbus-Labor montiert sind, ein zweiter Satz von Detektoren mit Matthias Maurer zur ISS fliegen. Diese neuen Detektoren sollen von Maurer u.a. auch im russischen Teil der ISS installiert werden, insgesamt kann dann an 21 Stellen auf der ISS gemessen werden und ein 3D-Modell der Strahlenbelastung auf der Raumstation generiert werden. Die wissenschaftliche Leitung von DOSIS 3D liegt beim DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln.

Bei „Easy Motion“ – EMS geht es um einen speziellen Anzug, der die Astronauten auf der ISS beim täglichen Sporttraining unterstützen soll: Denn wir können uns nur fortbewegen, weil Muskeln in Rumpf und Gliedmaßen unserem Körper Stabilität verleihen. Dabei arbeiten sie auf der Erde gegen die Schwerkraft und trainieren sich so selbst. Um Muskelschwund und den dadurch bedingten Knochenabbau in Schwerelosigkeit zu verhindern, ist Elektro-Muskel-Stimulation (EMS) eine moderne Trainingsmethode, bei der Muskelpartien durch schwache Stromimpulse angespannt werden. Wird diese erhöhte Grundspannung mit einem gezielten Muskeltraining kombiniert, kann das den Erfolg deutlich erhöhen. An Bord der ISS wird Matthias Maurer erstmals mit einem speziellen EMS-Anzug sein Trainingsprogramm verbessern, das aus Laufen, Radfahren und Krafttraining besteht. Die wissenschaftliche Leitung des Projekts liegt bei der Charité Universitätsmedizin Berlin.

Ebenfalls aus der Humanphysiologie stammt das Experiment „Thermo-Mini“, das zum großen Teil bereits mit SpaceX-23 am 29. August 2021 zur Raumstation gebracht worden ist: Ein längerer Aufenthalt im Weltall führt zu einem dauerhaften Anstieg der Körperkerntemperatur. Dieses „Space Fever“ ist eine potenzielle Gefahr für die Gesundheit der Astronautinnen und Astronauten – vor allem bei Sport und Außenbordeinsätzen. Mit Thermo-Mini werden bei Matthias Maurer die Körperkerntemperatur und zirkadiane Rhythmik durch einen miniaturisierten Thermosensor nicht-invasiv an der Stirn aufgezeichnet. Die gewonnen Daten sollen Erkenntnislücken schließen und vor allem beweisen, dass der Mini-Thermosensor für den Langzeiteinsatz im Weltraum geeignet ist. Auf der Erde kann der Minisensor in extremen Umgebungen wie in Bergwerken und bei Feuerwehreinsätzen aber auch im Krankenhaus angewendet werden. Thermo-Mini wird im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) organisiert. Wissenschaftlich geleitet wird das Projekt vom Zentrum für Weltraummedizin an der Berliner Charité. Der miniaturisierte Sensor, kommerziell von Dräger GmbH erhältlich, wurde von der KORA Industrie-Elektronik GmbH für die Nutzung im Weltraum angepasst. Matthias Maurer trägt bei seinem Flug zur ISS das Stirnband von Thermo-Mini.

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• SpaceX Crew-3 / USCV-3 (C210.1/Endurance) auf Falcon 9 (B1067.2)

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Quelle: OHB SE.

Bremen, 28. Oktober 2021. Am kommenden Sonntagmorgen um 7:21 Uhr (MEZ) wird Matthias Maurer als erster deutscher Astronaut der europäischen Weltraumorganisation ESA in einer Crew Dragon Kapsel mit einer SpaceX Falcon 9 Trägerrakete zur rund 400 Kilometer entfernten Weltraumstation ISS starten. Während seiner knapp sechs Monate langen Mission „Cosmic Kiss“ wird er zwei Experimente durchführen, die von der OHB System AG, ein Tochterunternehmen des Raumfahrtkonzerns OHB SE, für den Weltraumflug qualifiziert wurden: Für das Projekt „EasyMotion“ wird Matthias Maurer mit einem EMS-Anzug (Elektro Muskel Stimulation) trainieren, um möglichst noch effektiver als bisher Muskelschwund entgegenzuwirken. Im Experiment „Bioprint FirstAid“ soll ein innovativer „Handheld-Biodrucker“ oberflächliche Wunden mit einer Biotinte versorgen, die körpereigene Zellen enthält. Der erste Einsatz der Experimente ist für Ende November geplant.

Elektrostimulation für besseres Muskeltraining im Weltraum
Bevor ein Gerät in den Weltraum fliegen darf, muss es auf Herz und Nieren durchgecheckt und für die Nutzung auf der ISS angepasst werden. Auch der EMS-Anzug, mit dem Matthias Maurer in verschiedenen Trainingseinheiten mehrmals je 20 Minuten trainieren wird, hatte sich vorab den prüfenden Augen des OHB-Teams der Astronautischen Raumfahrt zu stellen. „Zunächst wurde das Anzugsystem umgebaut. Das betraf die Steuerungseinheit, die so genannte Powerbox, die Position von einigen Steckern und Funktionen sowie die Integration einer weltraumtauglichen Batterie. Bei der anschließenden Qualifizierung musste sich der Sportanzug dann Umwelt- und Funktionstests stellen“, sagt Dr. Marco Berg, Abteilungsleiter Astronautische Raumfahrt bei OHB. Das EMS-assistierte Training wird Matthias Maurer insgesamt zwölf Wochen lang an drei Tagen pro Woche absolvieren – insgesamt 36 Einheiten. „Muskelschwund in der Schwerelosigkeit ist ein bekanntes Thema in der astronautischen Raumfahrt. Ein Astronaut muss etwa zweieinhalb Stunden pro Tag trainieren, um dem vorzubeugen. Mit diesem Experiment gilt es nun herauszufinden, ob diese Trainingszeit durch die Hilfe von EMS verkürzt werden kann“, so Dr. Marco Berg. Das Trainingssystem EasyMotionSkin und die dazugehörige App wurden von der EMS GmbH aus Leipzig entwickelt, die in diesem Projekt als Unterauftragnehmer von OHB tätig ist. Für die wissenschaftliche Leitung von „EasyMotion“ ist das Zentrum für Weltraummedizin an der Charité – Universitätsmedizin Berlin zuständig.

Der Erfolg des Trainings wird durch ein bei OHB gut bekanntes Gerät überprüft: MyotonPRO. MyotonPRO ein kleines handliches digitales Gerät zur Messung von Muskeltonus (Muskelruhespannung) sowie Muskelsteifigkeit, hatte OHB bereits für die „horizons“-Mission des deutschen ESA-Astronauten Alexander Gerst im Jahr 2018 qualifiziert. MyotonPRO wird neben „EasyMotion“ auch für „Myotones“ auf der ISS für Matthias Maurer genutzt. Die Projekte „EMS“ und „Bioprint FirstAid“ sowie „Myotones“ werden im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn durchgeführt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanziert.

Bioprinter FirstAid: Das moderne Pflaster für die Wundversorgung im All
Je weiter weg sich Astronauten von der Erde befinden, desto höher ist das Risiko, dass sie im Falle einer Verletzung nicht rechtzeitig behandelt werden können. Gerade wenn die Menschheit an astronautische Missionen zum Mars denkt, ist eine schnelle Rückkehr zur Erde im Ernstfall nicht möglich. Daher ist es wichtig, dass eine medizinische Infrastruktur vorhanden ist. Ein Gerät zur Behandlung von oberflächlichen und großflächigen Hautverletzungen könnte der „Handheld Bioprinter“ sein. Das medizinische Gadget versorgt Wunden mit einem körperidentischen „Hautpflaster“ und soll so zu einer besseren und schnelleren Heilung der Verletzung beitragen. Für das „Bioprint FirstAid“ Experiment auf der ISS soll allerdings erstmal kein Test am menschlichen Körper, sondern vielmehr ein Test unter Weltraumbedingungen mit simulierten menschlichen Hautzellen erfolgen. Die Proben werden dann zur Erde gebracht und von einer Arbeitsgruppe der TU Dresden – dem wissenschaftlichen Partner für das Experiment – ausgewertet.
Doch das ist alles noch Zukunftsmusik. Zunächst fiebert das Team der Astronautischen Raumfahrt auf den Start hin. Dr. Marco Berg: „Es macht uns glücklich und stolz, dass wir bei der Cosmic Kiss Mission mit Matthias Maurer gleich an zwei derart spannenden Experimenten beteiligt sind und hoffen auf eine erfolgreiche Durchführung der beiden Experimente.“

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• SpaceX Crew-3 / USCV-3 (C210.1/Endurance) auf Falcon 9 (B1067.2)

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