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Artikel über die ISS

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Die Labormodule der ISS

Die Forschung selbst geschieht auf der ISS in lediglich drei Labormodulen. Eines von den USA, eines von Japan und eines von Europa. Ursprünglich waren noch ein weiteres US-Modul und eine variable Anzahl von russischen Labormodulen geplant. Finanzielle Kürzungen führten aber zu einer Beschränkung auf nur ein US-Modul. Jedes Modul bietet voll bestückt genügend Arbeit für zwei bis drei Astronauten, sodass schon die verbleibenden drei Module heute nicht voll ausgelastet werden.

Die Racks

Die Racks für die ISS sind standardisiert. Sie haben Anschlüsse für die Stromversorgung, Gase (Stickstoff, Argon, Kohlendioxid und Helium), Kühlflüssigkeiten und den Computerbus. Sie können so leicht ausgetauscht werden. Sie haben ein eingebautes Vibrationsdämpfungssystem. Bei den meisten Druckmodulen befinden sich die Racks in vier Reihen: links und rechts, aber auch an der „Decke“ und dem „Boden“, da es in der Schwerelosigkeit keine Vorzugsrichtung gibt. Allerdings befinden sich an Decke und Boden oftmals Racks ohne Bedienkonsole, die allgemeine Systeme für die Verteilung von Elektrizität, Flüssigkeiten, Gase oder Heizelemente aufnehmen, sonst wäre die Gefahr zu groß, durch eine unachtsame Bewegung durch die Füße Gerätschaften zu aktivieren. Die Racks nehmen nicht nur Kontrollsysteme auf, sondern auch Toiletten, Schlafkabinen, Geräte zu Training etc. Praktisch die gesamte Inneneinrichtung wird in Racks zur Station gebracht. Dies erlaubt es auch, die Racks zwischen den Laboren zu verschieben. Davon wurde sehr oft Gebrauch gemacht. Es erlaubte den europäischen Forschern auch schon Experimente durchzuführen, bevor das eigene Labor gestartet wurde, indem die Racks in Destiny ihren Betrieb aufnahmen.

Das Computersystem, mit dem die Racks verbunden sind, hat drei Datenbusse. Der Erste ist der STD-MIL 1553B Bus mit 1 Mbit Datenrate. Er wird vor allem für Kommandos genutzt. Daten werden vorwiegend mit dem Hochgeschwindigkeitsbus mit 100 Mbit/s und über Fast-Ethernet (10 Mbit/s) übertragen. Weiterhin gibt es einen NTSC-Videoanschluss für Fernsehkameras.

Das Thermalkontrollsystem kann zwei Temperaturbereiche aufrecht erhalten. Einmal 16,3 bis 18,1 °C und einmal von 3,3 bis 5,6°C. Neben dem normalen Atmosphärendruck kann auch ein Vakuum mit einem Druck von 0,13 Pascal für Experimente zur Verfügung gestellt werden. Beide Rahmenbedingungen können durch eigene Kontrollsysteme verändert werden. So gibt es Kühlschränke und Tiefkühltruhen, die eine niedrigere Innentemperatur aufweisen, aber auch Inkubatoren, die 37°C gewährleisten.

Destiny

Das US-Labormodul Destiny (Schicksal) wurde sehr frühzeitig, schon beim siebten Shuttle Flug zur ISS gebracht. Es besteht aus zwei Endsegmenten mit Dockingmechanismen und drei Zylindersegmenten. Die beiden äußeren Zylindersegmente sind identisch, das mittlere hat ein 50 cm großes Fenster aus speziellem Glas, das auch Erdbeobachtungen ermöglicht. An ihm ist derzeit eine Kamera (Agricultural Camera) angebracht.

Im Inneren hat Destiny 24 Racks in vier Reihen (oben, unten, links, rechts im 90°-Abstand um die Längsachse), 11 Racks nehmen die Stromversorgung und Umweltkontrolle auf. Sie verteilen Strom, Wasser und Luft und halten die Luftfeuchtigkeit aufrecht. Aus der Luft wird in den Racks Kohlendioxid entzogen und Sauerstoff nachgeliefert. Zwei Racks beinhalten die Avionik, zwei weitere nehmen Kühlsysteme auf, die eine Temperatur von 4°C und 17°C gewährleisten. Dazu gibt es Racks für Brauchwasseraufarbeitung, Kommunikation, zur Lagerung oder Kühlschränke. Beim Start waren vier Systemracks bestückt. Experimente wurden erst bei den folgenden Flügen nach und nach zu Destiny gebracht.

Die Struktur besteht aus Aluminium mit einer waffelartigen Verbindungsstruktur zwischen zwei Wänden. Die Innenwand ist überzogen mit einem Zwischenschild, der aus dem gleichen Material, wie schusssichere Westen besteht. Er soll Mikrometeoriten binden. Diese entstehen durch den äußeren Schutzschild aus Aluminium, wenn sie diesen passieren und dann in viele kleine Bruchstücke zerfallen.

Im Destiny Labor wurde temporär auch eine zweite (russische) Toilette und ein Kühlschrank installiert, bis Node 3 und Columbus zur Station gelangten.

In Destiny können bis zu vier Personen arbeiten. Die meisten Experimente sind aber wie in den anderen Laboren hoch automatisiert, sodass dieser Fall kaum eintreten wird.

Das Destiny Labor im Orbit

Columbus

Das europäische Raumlabor Columbus ist das kleinste Labormodul an Bord der ISS. Es hat gravierende Änderungen während der Konzeption durchlaufen. Aus drei Modulen die einmal vorgesehen blieb nur eines übrig und dieses wurde bedeutend verkürzt (von 8 auf 6,84 m) um Synergien bei Thales-Alena bei der Fertigung der MPLM nutzen zu können.

Columbus hat die Abmessungen von Node 2+3 und verwendet die gleiche Struktur. Ein zusätzlicher, 2 t schwerer Aluminiumaußenschild sorgt für einen besseren Schutz vor Mikrometeoriten für die geplante Betriebsdauer von zehn Jahren. Verbunden ist es mit dem Wasserverteilungssystem der ISS. Dadurch können Experimente gekühlt oder beheizt und die Temperatur im Labor zwischen 16 und 27 °C eingestellt werden.

Es gibt insgesamt 16 Rack-Einschübe, davon sind 10 für Experimente vorgesehen, die anderen für die Stromversorgung, Computersysteme und die Klimaanlage. Obwohl das Labor um 40% kürzer als Kibō ist, verfügt es über genauso viele Racks für die Forschung. An der Außenseite gibt es vier Punkte, an denen ebenfalls Experimente angebracht werden können. Sie können bei Außeneinsätzen auch ausgetauscht werden. Diese werden von der ESA exklusiv genutzt. Bei der Mission 1E wurden zwei der Befestigungspunkte mit mehreren Instrumenten bestückt. Von den 20 kW Leistung stehen 5 kW für die externen Experimente zur Verfügung. Das Datenverarbeitungssystem überträgt bis zu 32 MBit/s zum Boden. Kommandos werden mit 10 kbit/s übertragen. Vier Computer sind fest eingebaut. Es gibt Schnittstellen für den Anschluss von zwei Notebooks. Zur Überwachung der Experimente gibt es Videokameras, Monitor und Videorekorder.

Columbus verfügt über ein eigenes Lebenserhaltungssystem das die Atmosphäre für maximal drei Astronauten reguliert. Es stabilisiert den Druck zwischen 1000 und 1048 hpa, die Temperatur zwischen 18 und 27°C. Der Luftstrom ist zwischen 0,08 und 0,2 m/s einstellbar. Bis zu 229 m³ Luft wird pro Stunde aus dem Modul in den Rest der ISS umgewälzt und umgekehrt. Ein Feuerbekämpfungssystem schaltet die Stromversorgung bei einem Brand ab und senkt den Sauerstoffpartialdruck innerhalb von 10 Minuten im abgeschotteten Modul auf 70 hpa ab. Das Abfallsystem führt Abwasser ab. Es wird im US-Segment aufbereitet. Von dort stammt auch der Sauerstoff.

Gestartet wurde es mit zwei Racks mit Experimenten. Drei weitere Racks mit europäischen Experimenten wurden später mit weiteren Space Shuttle Missionen zur ISS gebracht. Dazu kommen weitere europäische Instrumente, die sich vorher im Destiny Labor befanden und nun zu Columbus transferiert wurden.

Maximal drei Astronauten können in Columbus arbeiten. Aufgrund der finanziellen Beteiligung Europas an der ISS dürfte aber maximal ein ESA-Astronaut dabei sein. EADS Astrium baute Columbus für einen Festpreis von 715 Millionen Euro. Dazu kamen dann noch Testeinrichtungen, die den Gesamtpreis auf 880 Millionen Euro erhöhten, davon flossen 450 Millionen Euro zurück an die deutsche Industrie. In dieser Summe nicht enthalten sind die Experimente. Trotz deutlicher Verzögerungen (das Modul wurde 2005 fertiggestellt und musste dann drei Jahre eingelagert werden) stiegen die Entwicklungskosten nur geringfügig an. Die ESA nutzte die Zeit, um an Columbus die vier Befestigungsmöglichkeiten für Außenexperimente anzubringen.

Kibō

Kibō (japanisch きぼう für Hoffnung, ursprünglich Japan Experiment Module JEM) ist das größte Labormodul auf der ISS. Es besteht aus drei Teilen:

• Einem zylindrischen Labormodul, vergleichbar Destiny und Columbus, genannt Pressurized Module (PM),

• einem am PM angebrachten Modul zum Verstauen von Ausrüstung und Proben (Experiment Logistics Module – Pressurized Section (ELM-PS) und

• einer Sektion für Experimente, die dem Vakuum des freien Weltraums ausgesetzt sind (Exposed Facility EF).

Das Labor ist so groß und schwer, dass drei Shuttle Flüge notwendig waren, um diese in drei Einzelteile, jeweils eines pro Mission, zur Station zu bringen. Duie beiden ersten ARV Flüge brachten weitere Einzelteile wie Racks für das Druckmodul oder Paletten für das Exposed Facility.

Pressurized Module

Das PM ist ein normales Labormodul wie Columbus und Destiny. Es ist das längste aller drei Labormodule. Gemessen an seiner Größe verfügt es jedoch über nur wenige Racks für Experimente. Von den 23 Racks im Inneren nehmen nur 10 Experimente auf. Sie sind an den vier Wänden installiert. Die Decke hat nur fünf anstatt sechs Racks, da an ihr die Einstiegsöffnung für das Logistikmodul ist.

Die Hülle besteht wie bei den anderen Modulen aus einer doppelwandigen Aluminiumhülle mit einem Schutzschild vor Weltraummüll. Im Inneren bleibt noch ein Raum von 2,20 m Breite und Höhe übrig. Von den Racks entfallen jeweils zwei auf die Stromversorgung, die Computerausrüstung und das Umweltkontrollsystem, das die Temperaturen zwischen 18 und 26 Grad Celsius und die Luftfeuchtigkeit zwischen 25 und 70 Prozent regulieren kann. Je ein Rack enthält das Steuerungssystem für den Manipulatorarm, die Steuerung mit einem Computerterminal, Platz für Vorräte und das Interorbit-Kommunikationssystem, mit dem mit der Bodenstation in Japan kommuniziert werden kann.

Die wesentlichsten Systeme für den Betrieb von Kibō (Strom, Umweltkontrolle und Computerausrüstung) sind in zwei Reihen angeordnet, wobei jeweils die Zweite einen Ausfall der Ersten übernehmen kann. Zwei Experimentracks waren beim Start bestückt, ein weiteres soll 2010 mit dem zweiten HTV folgen.

Das Kommunikationssystem verfügt über einen direkten Kontakt zum Kontrollzentrum in Japan per Japans Data Relay Test Satellite (DRTS). Von diesem Kontrollzentrum wird auch die Annäherung des HTV kontrolliert. Es erlaubt über 40 Minuten pro Orbit (7,8 Stunden pro Tag) die Datenübertragung mit jeweils 50 Mbit/s zur Erde. Mit 3 Mbit/s werden Kommandos zu Kibō übermittelt.

Kibō hat zwei Kopplungsadapter. Einen Passiven an einem der beiden „Deckel“ zum Ankoppeln an Harmony und einen Aktiven in der Decke um das ELM-PS anzukoppeln. Zusätzlich gibt es eine Luftschleuse am zweiten axialen Port. Über diesen können ORU's zwischen dem Druckmodul und dem EF transferiert werden. Dort befinden sich auch zwei Fenster über der Luftschleuse. Durch sie können die Astronauten den Manipulatorarm sehen und überwachen. An der Unterseite der Wand gibt es eine Befestigung um das EF an das PM anzukoppeln.

Experiment Logistics Module – Pressurized Section

An einer Luftschleuse in der Decke des PM wird das ELM-PS angekoppelt. Es ist ein einfaches zylindrisches Modul mit einem CBM, dass als Lagerraum und zum Transport dient. Es hat an den vier Wänden acht Anschlüsse, die mit Racks zum Austausch von Experimenten und Ausrüstung von Kibō bestückt werden können, aber auch Lagerraum für Ausrüstungsgegenstände und Material stellen. Außen angebracht ist ein temporärer Fixierungspunkt für eine Palette. Sie wird vom HTV transportiert und mit dem Canadarm dort fixiert. Von dort aus ist sie zugänglich für den eigenen Manipulatorarm des EF. Ebenfalls befinden sich an der Außenseite des Moduls Befestigungsmechanismen für die Space Shuttle Bucht.

Geplant war der Einsatz zusammen mit dem Space Shuttle. Es wäre dabei wie ein MPLM vom Space Shuttle zur Erde zurückgebracht und neu ausgerüstet wieder in den Orbit gebracht worden. Es gibt aber zwei Unterschiede zwischen dem MPLM und dem EPM-PS: Das EPM-PS ist von vorneherein für einen dauerhaften Betrieb an der ISS ausgelegt, während das MPLM nur für maximal sechs Monate im Orbit ausgelegt ist und in der Regel noch während der gleichen Shuttlemission zur Erde zurück gebracht wird. Auf der anderen Seite ist die Luftschleuse aber kleiner als die Tür des CBM. Gegenstände werden auf einen Tisch montiert und mit ihm zwischen Labor und Lagerraum transferiert. Dadurch gibt es Restriktionen in Größe und Gewicht der Ausrüstung. Die Luftschleuse auf dem PM dichtet zwar das Labormodul ab, aber sie erlaubt keinen Ausstieg ins All.

Exposed Facility

In dem Exposed Facility können Experimente untergebracht werden, die dem Vakuum ausgesetzt werden müssen. Es ist eine rechteckige Struktur, die mit einem speziellen Anschluss an dem PM angebracht wird. Auf ihr gibt es 12 Befestigungsmöglichkeiten. Davon werden zwei durch den Manipulatorarm und für eine kurzzeitige Lagerung belegt, so das netto noch zehn für Experimente und Ausrüstung bleiben. Wie im eigentlichen Labor kann davon die Hälfte von der NASA genutzt werden. Die Befestigungsstellen sind an den beiden Längsseiten (je vier), an der zur Befestigung gegenüberliegenden Querseite (je zwei) und der Oberseite der Palette (je zwei) untergebracht. Eine Anlegestelle an der Querseite ist durch das ELM-ES belegt. Es ist die Einzige, die 2.500 kg schwere Lasten aufnehmen kann. Auf der Palettenoberseite befinden sich neben den beiden Experimentanschlüssen noch Werkzeuge, das Thermalkontrollsystem und ORU's.

Das EF ist ausgelegt für Reparaturen während der Betriebszeit. Wesentliche Teile der Elektronik und des Arms stecken in funktionalen Einheiten, die als Ganzes ausgetauscht werden können (ORU: Orbital Replacement Units).

Ein eigenes Manipulatorsystem, das Japanese Experiment Module Remote Manipulator System (JEMRMS) besteht aus zwei Armen mit jeweils sechs Freiheitsgraden – dem Hauptarm, der Experimente von dem Lagermodul übernimmt und auf das EF transportiert und fixiert und einem kleinen Arm, der auf dem Ende des Hauptarms angebracht wird und an dem Werkzeuge angebracht sind. Beide Arme haben am Ende und den Gelenken TV-Kameras, mit denen von der Konsole in Kibō aus ihre Tätigkeit überwacht werden kann. Zusätzlich erlauben die Fenster am Ende von Kibō einen freien Blick der Besatzung auf die EF und die Arme. Der Hauptarm dient zum Bewegen von größeren Experimenten. Er nimmt auch die Exposed Palette des HTV vom Befestigungspunkt am Logistikmodul auf und transferiert sie ins EF. Der kleine Arm dient dem Bewegen von kleinen Bauteilen wie den ORU-Einheiten. Gebracht werden die Experimente mit dem HTV.

Am Ende des EF wird eine besondere Palette, die Experiment Logistics Module-Exposed Section (ELM-ES), angebracht. Sie selbst ist erneut fast so groß wie das EF und bietet weiteren Platz für drei große Experimente oder zwei größere Instrumente und maximal drei ORU. Das ELM-ES hat auch eine Logistikfunktion: Es kann vom EF abgetrennt und vom Space Shuttle zur Erde zurückgebracht werden.

Bücher vom Autor

Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.

Das erste bemannte Raumfahrtprogramm der USA, das Mercuryprogramm begann schon vor Gründung der NASA und jährt sich 2018 zum 60-sten Mal. Das war für mich der Anlass, ein umfangreiches (368 Seiten) langes Buch zu schreiben, das alle Aspekte dieses Programms abdeckt. Der Bogen ist daher breit gestreut. Es beginnt mit der Geschichte der bemannten Raumfahrt in den USA nach dem Zweiten Weltkrieg. Es kommt dann eine ausführliche technische Beschreibung des Raumschiffs (vor 1962: Kapsel). Dem schließt sich ein analoges Kapitel über die Technik der eingesetzten Träger Redstone, Little Joe und Atlas an. Ein Blick auf Wostok und ein Vergleich Mercury bildet das dritte Kapitel. Der menschliche Faktor - die Astronautenauswahl, das Training aber auch das Schicksal nach den Mercurymissionen bildet das fünfte Kapitel. Das sechs befasst sich mit der Infrastruktur wie Mercurykontrollzentrum, Tracking-Netzwerk und Trainern. Das umfangreichste Kapitel, das fast ein Drittel des Buchs ausmacht sind natürlich die Missionsbeschreibungen. Abgeschlossen wird das Buch durch eine Nachbetrachtung und einen Vergleich mit dem laufenden CCDev Programm. Dazu kommt wie in jedem meiner Bücher ein Abkürzungsverzeichnis, Literaturverzeichnis und empfehlenswerte Literatur. Mit 368 Seiten, rund 50 Tabellen und 120 Abbildungen ist es das bisher umfangreichste Buch von mir über bemannte Raumfahrt.

Mein erstes Buch, Das Gemini Programm: Technik und Geschichte gibt es mittlerweile in der dritten, erweiterten Auflage. "erweitert" bezieht sich auf die erste Auflage die nur 68 Seiten stark war. Trotzdem ist mit 144 Seiten die dritte Auflage immer noch kompakt. Sie enthält trotzdem das wichtigste über das Programm, eine Kurzbeschreibung aller Missionen und einen Ausblick auf die Pläne mit Gemini Raumschiffen den Mond zu umrunden und für eine militärische Nutzung im Rahmen des "Blue Gemini" und MOL Programms. Es ist für alle zu empfehlen die sich kurz und kompakt über dieses heute weitgehend verdrängte Programm informieren wollen.

Mein zweites Buch, Das ATV und die Versorgung der ISS: Die Versorgungssysteme der Raumstation , das ebenfalls in einer aktualisierten und erweiterten Auflage erschienen ist, beschäftigt sich mit einem sehr speziellen Thema: Der Versorgung des Raumstation, besonders mit dem europäischen Beitrag dem ATV. Dieser Transporter ist nicht nur das größte jemals in Europa gebaute Raumschiff (und der leistungsfähigste Versorger der ISS), es ist auch ein technisch anspruchsvolles und das vielseitigste Transportfahrzeug. Darüber hinaus werden die anderen Versorgungsschiffe (Space Shuttle/MPLM, Sojus, Progress, HTV, Cygnus und Dragon besprochen. Die erfolgreiche Mission des ersten ATV Jules Verne wird nochmals lebendig und ein Ausblick auf die folgenden wird gegeben. Den Abschluss bildet ein Kapitel über Ausbaupläne und Möglichkeiten des Raumfrachters bis hin zu einem eigenständigen Zugang zum Weltraum. Die dritte und finale Auflage enthält nun die Details aller Flüge der fünf gestarteten ATV.

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Die zweite Auflage ist rund 80 Seiten dicker als die erste und enthält eine kurze Geschichte der Raumstationen, die wesentlichen Ereignisse von 2010 bis 2015, eine eingehendere Diskussion über die Forschung und Sinn und Zweck der Raumstation sowie ein ausführliches Kapitel über die Versorgungsraumschiffe zusätzlich.

Das bisher letzte Buch Skylab: Amerikas einzige Raumstation ist mein bisher umfangreichstes im Themenbereich bemannte Raumfahrt. Die Raumstation wurde als einziges vieler ambitioniertes Apollonachfolgeprojekte umgesetzt. Beschrieben wird im Detail ihre Projektgeschichte, den Aufbau der Module und die durchgeführten Experimente. Die Missionen und die Dramatik der Rettung werden nochmals lebendig, genauso wie die Bemühungen die Raumstation Ende der siebziger Jahre vor dem Verglühen zu bewahren und die Bestrebungen sie nicht über Land niedergehen zu lasen. Abgerundet wird das Buch mit den Plänen für das zweite Flugexemplar Skylab B und ein Vergleich mit der Architektur der ISS. Es ist mein umfangreichstes Buch zum Thema bemannte Raumfahrt. Im Mai 2016 erschien es nach Auslaufen des Erstvertrages neu, der Inhalt ist derselbe (es gab seitdem keine neuen Erkenntnisse über die Station), aber es ist durch gesunkene Druckkosten 5 Euro billiger.

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