Menneskets forpost i rummet

Gennem årene har Den Internationale Rumstation, ISS, givet forskere en unik mulighed for at undersøge fænomener i vægtløshed, lære om rummets påvirkning af kroppen og forberede de næste skridt endnu længere ud i rummet.

Nu tages eksperimentet til helt nye højder, når byggeriet af den første rumstation om Månen inden længe går i gang.

Forskere undslap tyngdekraften

Rummets fremmede miljø er især præget af to ting, vi ikke har på Jorden: kosmisk stråling og vægtløshed. Allerede for 50 år siden var forskerne klar over, at forskning i disse to fænomener kun kunne foregå i et laboratorium, der opholdt sig permanent uden for Jordens atmosfære.

Derfor efterfulgtes kapløbet om at nå til Månen af et rumstationskapløb, og i 1971 – bare 10 år efter at Jurij Gagarin gav menneskeheden sin debut i rummet – sendte Sovjetunionen verdens første rumstation, Saljut 1, i kredsløb.

Saljut 1 var en 20 meter lang, cylindrisk station med knap 100 kubikmeters beboelig plads, som kun nåede at være i kredsløb om Jorden i 175 dage.

På trods af dens korte levetid formåede instrumenterne ombord blandt andet at levere banebrydende nye observationer af den eneste kendte kilde til røntgenstråling uden for Solsystemet, stjernen Scorpius X-1.

Takket være en række målinger foretaget af teleskopet ombord på Saljut-stationen ved forskere i dag, at Scorpius X-1 er en neutronstjerne, som via sin tyngdekraft er ved at fortære sin langt mindre partnerstjerne.

Opdagelsen kunne aldrig være gjort fra Jorden, hvor atmosfæren ville forstyrre observationerne, eller på kortere missioner i rummet, hvor der ikke er tid nok til at samle data.

Observationerne af neutronstjernen var afgørende for forskningen i andre solsystemer. Forskere har nemlig brug for al den viden, de kan få, om forskellige typer stjerner, deres hyppighed og opbygningen af deres planeter for at kunne indsnævre søgningen efter exoplaneter, hvor chancerne er bedst for at finde fremmed liv.

Teleskop afdækkede Solens ydre

I 1973 blev russernes Saljut-succes fulgt op af den amerikanske station Skylab, som blandt andet skulle studere strålingen fra vores egen stjerne, Solen.

Med ombord på Skylab var derfor Apollo Telescope Mount, som bestod af otte forskellige instrumenter – blandt andet røntgenteleskoper og ultraviolette spektrografer.

Instrumenterne kunne optage sollyset i hidtil uset detaljegrad og dele det op i enkelte bølgelængder – uforstyrret af Jordens atmosfære. På den måde fik forskerne et langt bedre indblik i, hvilke stoffer der udgør Solens ydre.

Skylabs teleskoper indfangede og gemte 127.000 billeder af Solen og dokumenterede for første gang de såkaldte solpletter i
Solens ydre atmosfære, koronaen.

Solpletter er områder, hvor stærke magnetiske kræfter forhindrer glohed plasma fra Solens indre i at trænge op i koronaen. Det gør området ca. 1000 grader koldere, og da intensiteten af lyset afhænger af temperaturen, fremstår området som en mørk plet på Solen.

Astronauten Edward Gibson blev på Skylab også den første til at filme skabelsen af en såkaldt koronaløkke, hvor enorme energiudladninger skyder plasma ud fra Solen.

Fænomenet er vigtigt at studere, da det er relateret til såkaldte koronale masseudkastninger, som er gigantiske udbrud af elektrisk ladede partikler, der kan forårsage nedsmeltninger af transformatorstationer på Jorden og i værste fald kan lamme hele planeten med en global strømafbrydelse.

Rumophold bliver permanent

Den fjerde besætning på Skylab satte også en rekord for det længste ophold i rummet, da de tre astronauter opholdt sig i det
vægtløse laboratorium i 84 dage i træk.

Men ligesom Saljut forlod hvert hold en tom rumstation, inden det næste blev sendt op. Der manglede stadig en station, hvor forskere kontinuerligt kunne undersøge effekterne af det hårde rummiljø over lange perioder.

I 1986 blev det endelig en mulighed, da det første modul blev sendt op til den nye russiske rumstation, Mir. Efter et par indledende år med kortere beboelsesperioder og opbygning af stationen var Mir beboet af astronauter uafbrudt fra 1989 til 1999 – i alt 3.644 dage.

Mir blev dermed den første rumstation, der gav mulighed for at lave uafbrudte observationer over måneder og endda år. Forskerne kunne nu både kigge udad mod fremmede stjerner og planeter, men i særdeleshed også indad og studere rummets effekter på rumstationens isenkram og på astronauterne selv.

Mir blev startskuddet til det lange forskningsprojekt i at leve i rummet, som i dag videreføres på Den Internationale Rumstation på 20. år.

Stråling holder mennesket tilbage

Rummets største trussel mod mennesker er den kosmiske stråling.

Strålingen er udgjort af omstrejfende atomer, hvis elektroner er blevet flået af under voldsomme accelerationer på deres rejse gennem
universet. Uden deres elektroner bliver atomerne elektrisk ladede og kan påvirkes af et magnetfelt.

På Jorden er vi beskyttet mod strålingen af planetens magnetfelt. De såkaldte magnetfeltlinjer ligger som et gitter, der løber fra nord- til sydpolen og strækker sig titusindvis af kilometer ud i rummet.

Fordi partiklerne er elektrisk ladet, påvirkes de af magnetfeltet. Størstedelen af de ladede partikler afbøjes af feltlinjerne, så mængden af stråling, der når helt ned til os her på Jorden, er minimal.

Hvis de energirige partikler ikke var forhindret i at nå os, kunne de slå atomerne i celler i stykker, hvilket kan føre til alvorlige helbredsproblemer såsom kræft og nerveskader.

Når fremtidens astronauter skal afsted mod Mars, er de tvunget til at opholde sig midt i det usunde bombardement i månedsvis.

For at forberede rejsen er forskere nødt til at have masser af data for, hvor voldsom strålingen er for kroppen, og teste, hvilke
materialer der bedst beskytter mod den.

På ISS måler astronauterne derfor hele tiden intensiteten af den kosmiske stråling. Det sker blandt andet ved hjælp af et såkaldt termoluminescensdosimeter.

Apparatet, der er installeret mange steder på rumstationen, indeholder en krystal. Når krystallens atomer rammes af stråling, får det elektronerne til at hoppe midlertidigt op i en højere bane længere væk fra deres atomers kerner.

Kort efter falder elektronerne igen tilbage til udgangspunktet og frigiver en lyspartikel med lige så meget energi, som bragte dem op i den højere bane. Ved at måle intensiteten af lyset kan forskerne følge mængden af stråling et givent sted på rumstationen.

Selvom astronauterne på ISS også er godt beskyttet af Jordens magnetfelt, er de udsat for højere strålingsniveauer, da atmosfæren også tager en lille del af strålingen.

Det gør livet ombord på ISS en anelse mere risikabelt. Hvor det normalt er 20 ud af 100 personer på Jorden, som er i risiko for at udvikle livstruende kræft, er det 23 ud af 100 personer, der har opholdt sig på ISS.

Frit fald skaber vægtløs forskning

Vægtløshed er den anden af rumstationens vigtigste forskningsmæssige fortrin. Uden rumstationer har forskere ikke mange muligheder for at undersøge, hvordan vægtløshed kan ændre kendte processer.

Én mulighed er at chartre et specialdesignet fly, som kan foretage såkaldte parabolflyvninger. Flyet flyver op og ned i buer på en måde, så der i toppen af buen er nul opdrift fra vingerne, hvilket betyder, at flyet er i frit fald.

Dermed bliver alt ombord vægtløst i op mod et halvt minut, inden flyet er nødt til at begynde at rette op igen.

Effekten kan også opnås ved at sende såkaldte pejlingsraketter lastet med en forsøgsopstilling ud i rummet. Sensorer og kameraer indsamler data fra det vægtløse forsøg, når raketten falder til Jorden igen, men på den måde kan der maksimalt opnås omkring 13 minutters vægtløshed.

For at studere vægtløse fænomener, der udspiller sig over længere tid, er forskerne nødt til at sende deres forsøg op på rumstationen.

Vægtløse væsker studeres på ISS

I en højde af bare 400 km over jordoverfladen er ISS langtfra fri af Jordens tyngdefelt. Når astronauterne alligevel kan svæve vægtløse rundt, er det, fordi de også er i frit fald mod Jorden.

ISS bevæger sig blot sidelæns med cirka samme fart som faldet, og derfor rammer rumstationen konstant forbi Jorden og kan fortsætte sit fald.

Faldet kunne i princippet blive ved for evigt, men som alle andre satellitter i lavt jordkredsløb oplever ISS en ganske svag luftmodstand fra det alleryderste af atmosfæren. Derfor har stationen motorer, der med jævne mellemrum affyres for at øge dens sidelæns fart.

På denne måde har rumstationen kunnet vedligeholde et konstant frit fald i over 20 år.

Et af de store fokusområder inden for vægtløs forskning på ISS er, hvordan væsker ændrer karakter i rummet.

Væskers egenskaber er i høj grad styret af tyngdekraftens påvirkning. Fx vil to ublandbare væsker såsom olie og vand lægge sig i lag her på Jorden, fordi tyngdekraften påvirker dem forskelligt.

Oliens lavere massefylde får den til at flyde oven på vandet. Men i rummet, hvor der ikke er noget op og ned, vil væskerne ikke på samme måde dele sig i lag, men blandes sammen som små, adskilte olie- og vandbobler, hvis de mikses i en beholder.

Omvendt har forskere på ISS fundet ud af, at væsker som honning og vand, der normalt opløser hinanden uden problemer her på Jorden, ikke altid vil blande sig i rummet.

Blandbarheden af væsker i rummet – eller manglen på samme – er enormt vigtig viden for ingeniører, der fx skal designe brændstoftanke og -pumper.

Raketmotorer flyver som regel på to væsker – et brændstof og et oxidationsmiddel, som det er nødvendigt at blande med brændstoffet for at få det til at brænde.

Disse væsker blandes i motorernes brændkamre og antændes med splitsekunders nøjagtighed. Hvis én af væskerne pludselig opfører sig anderledes, kan det få katastrofale følger.

Et andet fænomen, der forsvinder i vægtløshed, er såkaldt sedimentering. Det er en proces, hvor partikler opløst i en væske over tid vil blive aflejret på en barriere.

Da sedimentering er et resultat af tyngdekraftens træk i partiklerne i væsken, kan forskere og ingeniører udnytte det vægtløse miljø i rummet til at blande metaller på nye måder og skabe legeringer, som det ikke er muligt at fremstille på Jorden.

En særlig aluminium-bly-legering, som kun kan fremstilles uden sedimentering, kan fx bruges i motorer som selvsmørende kuglelejer. Sådanne kuglelejer vil mindske behovet for vedligeholdelse, hvilket er vigtigt for rovere og robotter, der skal klare sig på egen hånd i årevis – ofte i barske miljøer på fremmede planeter.

Endelig er der væskerne i astronauternes egne kroppe. Når tyngdekraften forsvinder, bliver kropsvæsker ikke længere trukket nedad, men flyder frit omkring.

Det fører blandt andet til et forøget tryk på kraniet, som især har givet astronauterne på ISS problemer med synet. Derfor afprøver forskerne løbende nye typer beklædning, der er designet til at presse væsker nedad i kroppen.

ISS er kravlegård for marsrejse

Fraværet af tyngdekraft har ganske uventet også givet rengøringsproblemer på ISS.

De små partikler i støv holdes sammen i større nullermænd af såkaldt statisk friktion. Normalt trækker tyngdekraften partiklerne fra hinanden, når de når en vis størrelse. Men på ISS er den statiske friktion den fremherskende kraft, og støvet bliver dermed ikke hindret i at samle sig i store klumper.

Støvet svæver i alle retninger og tilstopper fx luftfiltre langt hurtigere, end ingeniørerne kunne have regnet ud, da de designede modulerne til rumstationen.

På den måde bidrager astronauternes simple dagligdags erfaringer med vigtig viden til kommende lange missioner i rummet, hvor et tilstoppet luftfilter kan være langt mere alvorligt.

Men problemerne med støv blegner i forhold til de vanskeligheder, som manglen på tyngdekraft skaber i forhold til at opretholde selv simple kropsfunktioner.

Vægtløsheden mindsker fx spændinger i kroppen, som forskerne nu ved, er afgørende for astronauternes retningssans, som hurtigt forsvinder i rummet. For at komme det problem til livs er al skrift på væggene på ISS orienteret i samme retning.

De manglende spændinger har også konsekvenser for muskelceller, som hurtigt forfalder i rummet. Undersøgelser har vist, at astronauter har mistet op mod en femtedel af deres samlede muskelmasse efter bare 11 dage i rummet.

Derfor har ingeniører udviklet en speciel motionsmaskine, så astronauterne kan holde deres kroppe ved lige. Da almindelige vægtskiver ikke vejer noget på ISS, skaber maskinen modstand og dermed kunstig vægt ved hjælp af cylindre med vakuum.

Astronauterne træner i flere timer hver eneste dag på rumstationen for at holde muskeltabet nede, og det ville være nødvendigt at medbringe lignende maskiner på fremtidige missioner til fx Mars.

Sådan en mission vil mindst vare ti måneder, men forskning har vist, at sådan en tur kan koste op mod 40 procent af muskelstyrken – selv med regelmæssig træning undervejs.

Vægtløsheden påvirker ikke blot sanser og muskler, men også den livsvigtige hjertefunktion. Når mennesker står op på Jorden, trækker tyngdekraften blodet i kroppen nedad, så det ender under hjertet.

Men på rumstationen flyder blodet rundt i brystet og op i hovedet, hvor det er i fare for at sætte sig fast, fordi ingen kraft trækker det ned igen. Det kan skabe svimmelhed og påvirke blodkarrene i hjernen.

Forsøg på ISS har bidraget til en bedre forståelse af, hvorfor især ældre mennesker oftere besvimer. Men forsøgene er også essentielle for at udvikle medicin, som kan hjælpe med at udligne de potentielt skadelige effekter, når astronauter skal på lange rummissioner i fremtiden.

Rumstationen flytter til Månen

Al den viden, som er blevet indsamlet på rumstationer, lige siden Saljut blev sendt i kredsløb om Jorden i 1971, danner basis for det næste skridt i menneskets udforskning af rummet: en station i kredsløb om Månen.

Når ISS efter planen sendes på pension i 2028, vil rumfartsorganisationerne bag ISS allerede have bygget dens efterfølger, Lunar Orbital Platform-Gateway (LOPG), i et kredsløb 385.500 km herfra.

Da alle rumstationer hidtil har ligget relativt tæt på Jorden, bliver den store forskningsmæssige forskel ved LOPG, at dens beboere vil være uden for Jordens beskyttende magnetosfære og dermed udsat for den høje strålingsdosis, der findes i det ydre rum.

Dermed bliver det for første gang muligt at simulere livet for astronauter i et miljø, der ligner dét, de skal overleve i fremtiden, når missioner går længere ud i rummet.

Ud over at forske skal de seks astronauter ombord også bruge tiden på at styre robotter og rovere rundt på Månens overflade. På den måde kan astronauterne blandt andet begynde udforskningen af Månens fjerne side.

Desuden skal LOPG også fungere som en slags rasteplads for netop de lange rummissioner, hvor astronauter kan tanke brændstof og laste forsyninger ind i et fartøj, inden turen går til fx Mars.

Konstruktionen af LOPG havde aldrig været mulig uden den omfattende viden om vægtløshed og de kosmiske observationer, som rumstationer har givet dem.

Med en ny månestation får forskere og ingeniører en ny uvurderlig trædesten i rummet, hvorfra de kan fortsætte udviklingen af materialer, brændstoffer og medicin, der skal føre menneskets ud i det ydre rum.