Menneskets forpost i rommet

Gjennom årene har Den internasjonale romstasjonen, ISS, gitt forskere en unik mulighet til å undersøke fenomener i vektløshet, lære om hvordan verdensrommet påvirker kroppen og forberede de neste skrittene enda lenger ut i rommet.

Nå tas eksperimentet til helt nye høyder, for nå skal det bygges en ny romstasjon, som skal gå i bane rundt månen.

Slapp unna tyngdekraften

Det fremmede miljøet i verdensrommet er særlig preget av to ting vi ikke har på jorda: kosmisk stråling og vektløshet. Allerede for 50 år siden var forskerne klar over at forskning på disse to fenomenene bare kunne foregå i et laboratorium som oppholdt seg permanent utenfor jordas atmosfære.

Derfor ble månekappløpet avløst av et romstasjonskappløp, og i 1971 – bare ti år etter at Jurij Gagarin ga menneskeheten sin debut i verdensrommet – sendte Sovjetunionen verdens første romstasjon, Saljut 1, i bane rundt jorda.

Saljut 1 var en 20 meter lang sylindrisk stasjon med nesten 100 kubikkmeter beboelig plass, men den holdt seg bare i bane rundt jorda i 175 dager.

På tross av den korte levetiden klarte instrumentene om bord på Saljut 1 blant annet å levere en rekke banebrytende nye observasjoner av den eneste kjente kilden til røntgenstråling utenfor solsystemet, stjernen Scorpius X-1.

Takket være en rekke målinger foretatt av teleskopet om bord på Saljut-stasjonen, vet forskere i dag at Scorpius X-1 er en nøytronstjerne, med en tyngdekraft som er så enorm at den holder på å fortære en mindre partnerstjerne.

Oppdagelsen kunne aldri vært gjort fra jorda, for atmosfæren ville ha hindret observasjonene, og på kortere romferder er det ikke nok tid til å samle inn data.

Observasjonene av nøytronstjernen var avgjørende for forskningen på andre solsystemer. Forskere trenger nemlig all den kunnskapen de kan få om ulike typer stjerner – særlig hvor mange det er og hva slags planeter som går i bane rundt dem – for å kunne snevre inn letingen etter eksoplaneter der det er aller best sjanser for å finne liv.

Teleskop avdekket solas ytre

I 1973 ble russernes suksess med Saljut fulgt opp av den amerikanske stasjonen Skylab, som blant annet skulle studere strålingen fra vår egen stjerne, sola.

Skylab var derfor utstyrt med Apollo Telescope Mount, som besto av åtte ulike instrumenter – blant annet røntgenteleskoper og ultrafiolette spektrografer.

Instrumentene kunne registrere sollyset i detalj og dele det opp i sine enkelte bølgelengder – uforstyrret av jordas atmosfære. Dermed fikk forskerne et mye bedre innblikk i hvilke stoffer som utgjør det ytterste laget av sola.

Teleskoper på Skylab tok 127 000 bilder av sola og dokumenterte for første gang de såkalte solflekkene i solas ytre atmosfære, koronaen.

Solflekker er områder der sterke magnetfelt hindrer at glovarm plasma fra solas indre trenger seg opp i koronaen. Det gjør området om lag 1000 grader kaldere, og siden intensiteten til lyset er avhengig av temperaturen, framstår området som en mørk flekk på sola.

Astronauten Edward Gibson, som befant seg på Skylab, ble den første til å filme en såkalt koronaløkke, der enorme energiutladninger skyter ut plasma fra sola.

Fenomenet er viktig å studere, siden det er relatert til såkalte koronamasseutbrudd, da enorme mengder elektrisk ladede partikler slynges ut. Det kan forårsake nedsmeltinger av transformatorstasjoner på jorda og i verste fall skape et globalt strømbrudd.

Romopphold blir permanent

Den fjerde besetningen på Skylab satte også en rekord for det lengste oppholdet i rommet, da de tre astronautene oppholdt seg i det vektløse laboratoriet i 84 dager i strekk.

Men både Saljut og Skylab ble forlatt og styrtet før den neste ble sendt opp. Det som manglet, var en stasjon der forskere kontinuerlig kunne undersøke effektene av det brutale miljøet i verdensrommet over lange perioder.

I 1986 ble det endelig en mulighet, da den første modulen ble sendt opp til den nye russiske romstasjonen, Mir. Under byggeperioden var kosmonautene der ganske kort av gangen, men fra 1989 til 1999 var det folk på romstasjonen hele tiden, i alt 3644 dager.

Mir ble dermed den første romstasjonen som ga muligheter for uavbrutte observasjoner over måneder og til og med år. Forskerne kunne nå både se ut mot fremmede stjerner og planeter, men også innover og studere effekten verdensrommet hadde på utstyret og på menneskene.

Mir ble startskuddet for et langvarig forskningsarbeid for å undersøke hvordan mennesket kan klare seg i verdensrommet. Det videreføres i dag på ISS.

Stråling er farlig for mennesket

Den største trusselen mot mennesker i verdensrommet er den kosmiske strålingen.

Den består av omstreifende atomer som har mistet sine elektroner under voldsomme akselerasjoner på sin reise gjennom universet. Uten elektronene blir atomene elektrisk ladet og kan påvirkes av et magnetfelt.

På jorda er vi beskyttet mot strålingen av planetens magnetfelt. De såkalte magnetfeltlinjene ligger som et gitter som løper fra nordpolen til sørpolen, og de strekker seg titusenvis av kilometer ut i verdensrommet.

Fordi partiklene er elektrisk ladet, påvirkes de av magnetfeltet. Partiklene endrer kurs når de møter feltlinjene, så mengden stråling som når helt ned til oss her på bakken, er minimal.

Uten denne beskyttelsen mot de energirike partiklene kunne de slå i stykker atomene i celler, noe som kan føre til alvorlige helseproblemer som kreft og nerveskader.

Når framtidens astronauter skal av sted mot Mars, må de oppholde seg midt i det usunne bombardementet i månedsvis.

For å forberede reisen må forskere ha massevis av data for hvor mye stråling menneskekroppen tåler, og teste hvilke materialer som gir best beskyttelse.

På ISS måler astronautene derfor intensiteten av den kosmiske strålingen kontinuerlig. Det skjer blant annet ved hjelp av en såkalt termoluminescens-måler. Apparatet, som er installert mange steder på romstasjonen, inneholder en krystall.

Når atomene i denne krystallen blir truffet av kosmisk stråling, får det elektronene til å hoppe opp i en høyere bane lenger unna atomkjernene.

Etter kort tid faller elektronene tilbake til utgangspunktet, og da gir de fra seg en lyspartikkel med like mye energi som brakte dem opp i den høyere banen. Ved å måle intensiteten av lyset kan forskerne følge mengden av stråling et bestemt sted på romstasjonen.

Selv om astronautene på ISS også er beskyttet av jordas magnetfelt, er de utsatt for høyere strålingsnivåer, siden atmosfæren også tar unna en del av strålingen.

Det gjør livet om bord på ISS en anelse mer risikabelt. Det normale er at 20 av 100 personer er utsatt for livstruende kreft, mens det gjelder 23 av 100 personer som har oppholdt seg på ISS.

Fritt fall skaper vektløs forskning

Vektløshet er det andre viktige fortrinnet romstasjonen har for forskningsformål. Uten romstasjoner har ikke forskere mange muligheter for å undersøke hvordan vektløshet kan endre ulike prosesser.

En mulighet er å leie et spesialdesignet fly som kan foreta såkalte parabolflyvninger. Flyet flyr opp og ned i buer som er beregnet slik at det ikke er noen oppdrift fra vingene, noe som betyr at flyet egentlig er i fritt fall.

Dermed blir alt om bord vektløst i opptil et halvt minutt, før flyet igjen må stanse fallet.

Effekten kan også oppnås ved å sende såkalte spesielle raketter lastet med et eksperiment ut i verdensrommet. Sensorer og kameraer samler inn data fra det vektløse forsøket når raketten faller til bakken igjen, men vektløsheten varer ikke i mer enn om lag 13 minutter.

For å studere vektløse fenomener som utspiller seg over lengre tid, må forskerne sende eksperimentene opp til romstasjonen.

Vektløse væsker studeres på ISS

ISS befinner seg bare 400 kilometer fra bakken, og er absolutt påvirket av jordas gravitasjonsfelt. Når astronautene likevel kan sveve rundt, er det fordi de er i fritt fall mot bakken.

ISS beveger seg imidlertid framover med nøyaktig samme fart som fallet, og derfor treffer ikke romstasjonen bakken og kan fortsette å falle.

Fallet til romstasjonen kunne i prinsippet fortsette for alltid, men som alle andre satellitter som går i bane så lavt nede,
opplever ISS en veldig svak luftmotstand fra det aller ytterste av atmosfæren.

Derfor har stasjonen motorer som med jevne mellomrom avfyres for å øke farten. På denne måten har romstasjonen klart å vedlikeholde fritt fall i over 20 år.

Et av de viktigste områdene for den vektløse forskningen på ISS, er hvordan væsker endrer karakter i verdensrommet.

Egenskapene til væsker påvirkes i aller høyeste grad av tyngdekraften. For eksempel vil væsker som olje og vann legge seg i lag her på jorda, fordi den ene av dem er tyngre.

Oljen er lettere, slik at den flyter på vannet. Men i verdensrommet, der det verken finnes opp eller ned, vil ikke væskene dele seg i lag, men blandes sammen som små dråper av olje og vann.

Omvendt har forskere på ISS funnet ut at væsker som honning og vann, som normalt oppløser hverandre uten problemer her på jorda, ikke alltid vil blande seg i verdensrommet.

Kunnskap om hvordan væsker blander seg med hverandre i verdensrommet, er utrolig viktig for ingeniørene som for eksempel skal designe drivstofftanker og pumper.

Rakettmotorer bruker som regel på to væsker – et drivstoff og et oksidasjonsmiddel.

Det er nødvendig å blande dem for å få noen effekt. Dette skjer i motorenes brennkammer, og antenningen skal skje med enorm presisjon. Hvis en av væskene plutselig oppfører seg annerledes, kan det få katastrofale følger.

Et annet fenomen som forsvinner i vektløshet, er såkalt sedimentering. Det er en prosess der partikler oppløst i en væske over tid vil bli avleiret på en barriere.

Siden sedimentering oppstår fordi tyngdekraften trekker i partiklene i væsken, kan forskere og ingeniører utnytte det vektløse miljøet i verdensrommet til å blande metaller på nye måter og skape legeringer som det ikke er mulig å produsere på jorda.

En spesiell aluminium-bly-legering, som bare kan produseres uten sedimentering, kan for eksempel brukes i motorer som selvsmørende kulelagre. Slike kulelagre vil redusere behovet for vedlikehold, noe som er viktig for rovere og roboter som skal klare seg på egen hånd i årevis – ofte i vanskelige miljøer på fremmede planeter.

Et annet viktig felt er væskene i astronautenes kropper. Når tyngdekraften forsvinner, blir ikke kroppsvæsker lenger trukket nedover, men flyter fritt omkring.

Det fører blant annet til et økt trykk på kraniet, som har gitt astronautene på ISS problemer med synet. Derfor tester forskerne hele tiden nye typer bekledning som er lagd for å presse væsker nedover i kroppen.

ISS er test for Mars-reise

Fraværet av tyngdekraft har også skapt rengjøringsproblemer på ISS.

De små partiklene i støv holdes sammen i større hybelkaniner av såkalt statisk friksjon. Vanligvis trekker tyngdekraften partiklene fra hverandre når de når en viss størrelse. Men på ISS er den statiske friksjonen den framherskende kraften, og støvet blir dermed ikke hindret i å samle seg i store klumper.

Støvet svever i alle retninger og gjør for eksempel at luftfiltre blir tilstoppet mye raskere enn ingeniørene hadde regnet ut da de tegnet modulene i romstasjonen.

Dermed bidrar astronautenes hverdagserfaringer med viktig kunnskap til lange romferder i framtiden, når et stengt luftfilter kan være mye mer alvorlig.

Men problemene med støv blekner i forhold til de problemene som mangelen på tyngdekraft skaper for å opprettholde selv enkle kroppsfunksjoner.

Vektløsheten reduserer for eksempel spenninger i kroppen som forskerne nå vet er avgjørende for astronautenes retningssans, som raskt forsvinner i verdensrommet. For å løse det problemet er all skrift på veggene på ISS orientert i samme retning.

De manglende spenningene har også konsekvenser for muskelceller, som forfaller raskt under opphold i verdensrommet. Studier har vist at astronauter har mistet opp mot en femtedel av sin samlede muskelmasse etter bare elleve dager i rommet.

Derfor har ingeniører utviklet en spesiell treningsmaskin, slik at astronautene kan holde kroppen ved like. Siden vanlige vektskiver ikke veier noe på ISS, skaper maskinen motstand, og dermed kunstig vekt, ved hjelp av sylindre med vakuum.

Astronautene trener i flere timer hver eneste dag når de befinner seg på romstasjonen for å holde muskeltapet under kontroll, og det ville være nødvendig å ta med lignende maskiner på framtidige romferder til for eksempel Mars.

En slik reise vil vare i minst ti måneder, men forskning har vist at det kan føre til tap av opp mot 40 prosent av muskelstyrken – selv med regelmessig trening underveis.

Vektløsheten påvirker ikke bare sanser og muskler, men også den livsviktige hjertefunksjonen. Når mennesker står på bakken, trekker tyngdekraften blodet i kroppen nedover, slik at det ender under hjertet.

Men på romstasjonen flyter blodet rundt i brystet og opp i hodet, og det er ikke noen kraft som trekker det ned igjen. Det kan skape svimmelhet og påvirke blodkarene i hjernen.

Forsøk på ISS har bidratt til en bedre forståelse av hvorfor særlig eldre mennesker oftere besvimer. Men forsøkene er også
avgjørende for å utvikle medisiner som kan hjelpe med å utlikne de farlige effektene av lange romferder i framtiden.

Romstasjonen flytter til månen

All den kunnskapen som har blitt samlet inn på romstasjonene helt siden Saljut ble sendt i bane rundt jorda i 1971, danner grunnlag for det neste skrittet i menneskets utforskning av verdensrommet: en stasjon som går i bane rundt månen.

Når ISS etter planen går av med pensjon i 2028, vil romfartsorganisasjonene som står bak ISS, allerede ha bygd etterfølgeren, Lunar Orbital Platform-Gateway (LOPG), som skal befinne seg 385 500 kilometer unna.

Siden alle romstasjoner hittil har vært plassert relativt tett på jorda, blir den store forskjellen nå at beboerne på LOPG vil befinne seg utenfor jordas beskyttende magnetosfære. Dermed vil de være utsatt for de høye strålingsdosene i det ytre rom.

Dermed blir det for første gang mulig å forske på livet for astronauter i et miljø som ligner det de skal overleve i når ferden går til for eksempel Mars.

De seks astronautene om bord skal også blant annet bruke tiden på å styre roboter og rovere rundt på overflaten av månen. Dermed kan de begynne utforskningen av baksiden av månen.

Dessuten skal LOPG fungere som en slags rasteplass for de lange romferdene: Astronauter kan fylle drivstoff og laste inn forsyninger i sitt fartøy før turen for eksempel går til Mars.

Det hadde ikke vært mulig å bygge LOPG uten den omfattende kunnskapen om vektløshet og kosmisk stråling som har vært samlet på tidligere romstasjoner.

Med en ny månestasjon får forskere og ingeniører et nytt springbrett i verdensrommet, der de kan fortsette utviklingen av materialer, drivstoff og medisiner som skal føre mennesket ut i det ytre rom.