Weltraumbier, Betonmischer im All und tote Froscheier

„Beton ist weniger unser Thema. Also gingen wir anfangs davon aus, dass es genüge, die Komponenten in einem Beutel zu vermischen und darin aushärten zu lassen“, erinnert sich der Wissenschaftler. Doch so einfach ging es nicht. Es brauchte eine feste, normierbare Form, damit die Ergebnisse überhaupt sinnvoll ausgewertet werden konnten. Der Mischvorgang musste zudem mindestens drei Sicherheitsstufen überwinden, damit kein Zementstaub in die Raumstation entweicht. Denn frei herumschwebende Staubteilchen würde man auf der ISS nie wieder los.

Am Schluss wurden zwei Sicherheitsstufen in den Betonmischer eingebaut und als dritte ein dichtes Zelt mit integrierten Handschuhen um den Mischer gelegt, sodass Maurer den Zement absolut staubsicher anmischen konnte. Bis es so weit war, musste noch eine weitere Schwierigkeit gelöst werden. Die einzelnen Komponenten vorher in die Mischer zu füllen, war kein Problem. Nur: Wie gelangt in der Schwerelosigkeit das Wasser hinein? „Wenn man es einfach auf ein Zement-Sand-Gemisch kippt, vermischt es sich niemals zu einer homogenen Masse, egal wie lange man rührt.

Die rettende Idee war, die Stange, die das Mischerblatt führt, hohl zu gestalten: Das Wasser wird dort mit einer Spritze eingebracht, und das Zement-Sandgemisch nimmt es über die Kapillarkräfte auf.“ Maurer musste anschließend nur noch jede Mischung geduldig zwei Minuten lang kurbelnd verrühren.

Portlandzement im All

Die Experimente umfassten verschiedene Mischungen aus Portlandzementarten mit Sand, Quarzsand oder einem Granulat, das dem Mondstaub nachempfunden ist. Rattenbacher und seine Kollegen füllten jeweils exakt 54 Gramm Material unterschiedlicher Zusammensetzung in jeden Betonmischer. Maurer fügte dann Wasser hinzu, das zum Teil mit Fließmittel oder Luftporenbildner angereichert war.

„Die Auswertung der Proben erfolgt gerade in Köln und Essen“, berichtet Karsten Tell vom Institut für Theoretische Physik der Universität Köln. „Bei den Computertomografie-Aufnahmen sieht man etwa auf den ersten Blick, dass sich die Proben von der Erde von denen auf der ISS deutlich unterscheiden.“

Für die Festigkeit von Beton ist auch das Aushärten des Materials entscheidend. Es bestimmt die Anordnung der Bestandteile im Inneren des Betons und die Verteilung der eingeschlossenen Luftblasen.

Das Aushärten auf der Erde wird von der Gravitation stark beeinflusst. Für die Materialforschung ist es interessant, wie sich die Mischung aus versintertem Kalk und Ton, Sand und Wasser in der Schwerelosigkeit verhält. Da Erstarrung und Trocknung Wochen dauern können, ist die Forschung auf der Raumstation so wichtig. Hier herrschen dauerhaft die gleichen Bedingungen der Schwerelosigkeit.

Rattenbachers Team arbeitete wochenlang, druckte Einzelteile mit dem 3D-Drucker aus und setzte sie wie in einem gigantischen Modellbauworkshop zusammen. „Dreihundert Mini-Betonmischer haben wir insgesamt in Handarbeit produziert. Dutzende wurden für Referenzversuche gebraucht, weitere zum Nachweis, dass die nötigen Sicherheitsanforderungen erfüllt sind“, erinnert sich Rattenbacher. 64 reisten schließlich ins All.

Irdisches Weltraumbier

Zu den Experimenten, die BIOTESC weltraumtauglich gemacht hat, zählen solche mit Hefe. Sie ist in der Biologie ein beliebter Modellorganismus für grundlegende Zellsysteme. Das Hefe-Genom ist recht übersichtlich, ähnelt aber Säugetier- und Pflanzenzellen hinreichend, um daran grundlegende Mechanismen zu untersuchen. Hefe besitzt Zellorganellen und Chromosomen sowie einen molekular gesteuerten Kontrollmechanismus, der DNA-Replikation und Zellteilung reguliert.

„Hefe ist pflegeleicht und ideal fürs All. Sie übersteht es sogar, eingefroren zu werden“, sagt Rattenbacher. „In den ISS-Experimenten wurde sie beispielsweise genutzt, um die Signalübertragung bei Stress zu messen. Der Übertragungsweg ist ähnlich wie beim Menschen. “ Also wird manchmal auch Bäckerhefe für biologische Versuche eingesetzt.

Die Forschungsgruppe besorgte sich 20 Kilogramm Brauhefe, steckte diese eine Woche lang in den Schwerelosigkeitssimulator und wartete, ob sich ihr Verhalten nach dieser rüden Behandlung grundsätzlich ändert. Dann wurde die Hefe zu einer Brauerei gebracht. Einige Wochen später standen 1500 Liter „Space-Bier“ abholbreit auf der Laderampe. Was ist herausgekommen?

Rattenbacher, dem man seine Wurzeln im schwäbischen Teil Bayerns trotz all der Jahre in der Schweiz noch anhört, grinst. Natürlich habe er seine Expertise für einen Test zur Verfügung gestellt und könne sagen, dass das Bier durchaus schmackhaft gewesen sei. Und ja, die Hefe habe sich verändert: „Normalerweise sinkt sie nach dem Brauprozess ab. Unsere blieb jedoch oben. Der Nachreifeprozess hat zwei bis drei Wochen länger gedauert, und der Braumeister musste das Ausfällen eigens auslösen.“

Lässt sich dieses Wissen praktisch anwenden? Auch da muss Rattenbacher grinsen: „Hefe bildet schnell viel Biomasse. Sie ist essbar, und man kann daraus Ethanol als Brennstoff oder Desinfektionsmittel herstellen. Es ist also schon relevant zu wissen, wie sie ihr Verhalten in der Schwerelosigkeit anpasst.“

Das Space-Bier war eine spaßige Ausnahme. Normalerweise verbringt Rattenbacher seine Zeit in internationalen Meetings oder im Labor. Er fungiert als eine Art Scharnier zwischen denen, die ein Experiment konzipieren und auswerten, und vielen andern, die das Experiment bauen, ins All bringen, dort ausführen und wieder zur Erde holen. Zur Denkarbeit kommt eine Menge Papierkram bis hin zum Schreiben von Stundenplänen für die Astronauten und Schritt-für-Schritt-Anleitungen für die Prozeduren, die im Experiment befolgt werden müssen.

An Bord der Internationalen Raumstation folgt der Arbeitstag der Astronauten einem strengen Zeitplan. Daher ist zuvor alles genau zu testen, um zu erfassen, wie lange die einzelnen Experimentalschritte dauern.

„Wenn etwa Material vierundzwanzig Stunden im Inkubator sein muss, dann muss das auch so im Zeitplan stehen“, nennt Rattenbacher ein Beispiel. Biologisches Material wird zudem meistens in gefrorenem Zustand auf die ISS gebracht. Sobald es aufgetaut ist, beginnt ein Wettlauf gegen die Uhr. „Verzögerungen können dafür sorgen, dass es verdirbt und das Experiment fehlschlägt.“

Bakterien in Kubik

Auch Fabienne Wyss gehört zum BIOTESC-Team. „Zum Teil stecken zehn Jahre Planung in einem Experiment, das im All dann in nur zehn Stunden abläuft. Crewzeit ist extrem kostbar. Wir automatisieren so viel wie möglich, um den Zeitaufwand für die Astronauten zu minimieren“, sagt die Biologin.

Dabei hilft zum Beispiel Kubik, eine würfelförmige, etwa bierkastengroße graue Kiste. Es handelt sich um einen Inkubator mit Zentrifuge, der auch als Kühleinheit genutzt werden kann. Die Zentrifuge dient als Schwerkrafterzeuger, sodass ein direkter Vergleich zu Experimenten unter Schwerelosigkeit erfolgen kann – bei ansonsten gleichen Bedingungen. Die Kiste lässt sich so programmieren, dass sie automatisch Zellen mit frischem Nährmedium versorgt und dadurch die Astronauten entlastet.

Mit Kubik wurden Biofilme untersucht – also Bakterienstämme daraufhin getestet, ob sie auf Metalloberflächen überleben oder Materialien angreifen. „Das Experiment namens Biofilms lief in drei Schritten auf der ISS ab: Biofilms 1 im September 2021, Biofilms 2 im Juli 2022 und Biofilms 3 von März bis April 2023“, sagt Rattenbacher.

Ziel des Experiments war, Oberflächen beispielsweise mit Messing oder Kupfer zu beschichten, sodass sie antibakteriell wirken. „Die Astronauten setzten Bakterienstämme, die Biofilme bilden, auf verschiedene Metalle“, berichtet Rattenbacher. Nach zwei Wochen im Kubik werden Proben genommen. Dann wird analysiert, wie viele Bakterien auf welchen Oberflächen noch vorhanden sind. „Unser Job ist es, das Experiment zu planen: Bei welcher Temperatur findet der Transport vom Wissenschaftler zur Rakete und dann bis auf die ISS statt? Welcher Strahlung und welchen Vibrationen sind die Bakterien und die Materialien ausgesetzt? Überstehen sie das? Wie minimieren wir die Crewzeit?“

Das ganze Experiment wird wieder und wieder durchgespielt. Wenn es im All ist, muss die Bodencrew Kubik weiterhin überwachen. Astronauten sind eben nicht „völlig losgelöst“ von der Erde.

Die Raumstation braucht Luzern

Aus Luzern wird auch das Biolab der ISS betreut, ein kompaktes Modul für Experimente an Mikroorganismen, Zellkulturen, Pflanzen oder kleinen wirbellosen Tieren. Es verfügt über einen Inkubator mit Zentrifugen, zwei Kühlschränke, ein Mikroskop und einen Roboterarm für den automatisierten Transfer von Flüssigkeiten. Damit kann der Einfluss der Schwerkraft und der Kosmischen Strahlung auf Zellen untersucht werden.

Wenn ein vom BIOTESC-Team begleitetes Experiment im Weltraum zum Einsatz kommt, sitzen in Luzern alle in ihrem eigens ausgestatteten Kontrollraum. „Die Astronauten können nicht alle Details kennen. Wir sind ununterbrochen da und begleiten sie. Unsere Arbeit ist erst getan, wenn ein Experiment die Raumstation wieder verlässt“, sagt Fabienne Wyss. BIOTESC liefert den Wissenschaftlern, die später die Ergebnisse auswerten, außerdem die nötigen Hintergrunddaten, etwa wie stark die Zentrifuge beschleunigt wurde und welche Temperatur herrschte.

Zusätzlich testet das Team das Beladen der Hardware und simuliert den Raketenstart. „Nicht nur dass das Experiment im All funktioniert. Das ist erst der nächste Schritt. Das Material muss erst einmal unbeschädigt auf der Station ankommen. Das ist jedoch nicht in allen Köpfen drin“, meint Rattenbacher.

Sekundentod der Eier

Pannen lassen sich bei aller Sorgfalt nie ausschließen. So werden für Untersuchungen der elektrophysiologischen Aktivitäten von Zellen gerne Froscheier des Südafrikanischen Krallenfroschs als Modellorganismus verwendet. Injiziert man Ribonukleinsäure (RNA) in die Froscheier, bauen diese nach ein paar Tagen einen schwerkraftspezifischen mechanosensitiven Ionenkanal auf, auf den es die Wissenschaftler abgesehen haben.

Die Froscheier sollten in einer Rakete des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt für kurze Zeit ins All geschossen werden. „Die harschen Bedingungen beim Raketenstart waren kritisch für den Erfolg des Experiments“, erinnert sich der Medizintechnikingenieur Simon Wüest. Deshalb wurde die Apparatur mit den Froscheiern auf alle erwarteten Belastungen ausführlich getestet – auch auf dem Rütteltisch des Schweizer Militärausrüsters RUAG (RüstungsUnternehmen-AktienGesellschaft) mit seiner Weltraumsparte „Beyond Gravity“. Wieder und wieder wurden die Eier durchgeschüttelt, wie sie es auch beim Start würden. „Ein Testtag dort geht richtig ins Geld. Solche Testgeräte gibt es schließlich kaum irgendwo. Auch das haben die Eier überstanden“, sagt Wüest. Die Apparatur funktionierte ebenfalls einwandfrei.

Trotz aller Vorsicht ging das Ganze am Ende schief. „Zwei Sekunden nach dem Start waren sämtliche Eier tot“, bedauert Wüest. „Die Temperaturschwankungen beim Start waren zusammen mit den Erschütterungen und der Beschleunigung einfach zu viel. Es existiert schlicht kein Teststand, an dem alle Belastungen gleichzeitig getestet werden könnten.“