Ruimtevaartonderzoek

SCK•CEN
Ruimtevaartonderzoek
Samenstelling
SCK•CEN, Studiecentrum voor Kernenergie
Met bijdragen en ondersteuning
van medewerkers van
Radiobiologie
Microbiologie
Communicatie
Vertaling
Afbeelding voorzijde:
Simulatie van een ruimtemissie. (bron: ESA)
SCK•CEN
Ruimtevaartonderzoek
SCK•CEN
Ruimtevaartonderzoek
Inleiding
7
1.
Aan welke ioniserende straling staan we bloot?
8
2.
Is een ruimtereis wel gezond?
10
3.
Bacteriën in de ruimte: vriend of vijand?
14
4.
Wat zullen we eten, drinken en ademen tijdens lange ruimtemissies?
16
5.
Onderzoeksreactor BR1 en kosmische straling
20
6.
Astronauten zijn onmisbaar voor ruimtevaartonderzoek
21
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
5
Inleiding
De ruimte heeft de mens altijd al gefascineerd.
Dankzij observaties en ruimtemissies groeit de
kennis over de extreme omstandigheden buiten
de dampkring steeds verder. Zo krijgen we meer
en meer inzicht in fenomenen zoals verhoogde
kosmische straling en gewichtloosheid. Beide
kunnen de gezondheid van astronauten en hun
leefomgeving beïnvloeden.
Het Studiecentrum voor Kernenergie,
SCK•CEN, speelt een belangrijke rol in
het ruimtevaartonderzoek op gebied van
stralingsdosimetrie, menselijke biologie
en microbiologie.
Internationaal Ruimtestation ISS, International
Space Station. (bron: ESA)
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
7
1
Aan welke ioniserende straling staan we bloot?
Radioactiviteit is een natuurlijk verschijnsel.
In de natuur komen radioactieve stoffen
voor omdat er miljarden jaren geleden
onstabiele isotopen gevormd werden
bij het ontstaan van de aarde. Sommige
radio-isotopen leven erg kort en zijn al
lang vervallen. Andere hebben een veel
langere levensduur en een deel ervan is
vandaag nog aanwezig op aarde en ook
in ons lichaam.
Naast de straling van natuurlijke radio-istopen
is er kosmische straling, voornamelijk afkomstig
van de zon. De kosmische straling bestaat voor
90 procent uit protonen en voor 9 procent
uit alfadeeltjes. In een ruimtecapsule is de
stralingsdosis ongeveer 100 keer hoger dan op
aarde omdat het aardmagnetisch veld en de
atmosfeer er geen bescherming bieden.
Het SCK•CEN gebruikt verschillende radioactieve
bronnen om dosismeters te kalibreren.
8
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
Hoe meten we straling?
Omdat de menselijke zintuigen ioniserende stralen
niet kunnen waarnemen, zijn er dosismeters
ontwikkeld die straling detecteren. Het Studiecentrum voor Kernenergie heeft meer dan 25 jaar
ervaring in dosimetrie. We doen bijvoorbeeld
metingen en onderzoek voor de industriële en
medische sector en de ruimtevaartdosimetrie.
Hoe groot is de stralingsdosis binnenin een
ruimteschip?
Het SCK•CEN stuurt regelmatig dosismeters
naar het Internationaal Ruimtestation ISS dat
cirkelt in een baan rond de aarde op gemiddeld
400 km hoogte. Ze blijven er enkele dagen, een
paar maanden tot meer dan een jaar binnen
in het ISS of vastgemaakt aan de buitenkant.
Ze worden daarna op aarde geanalyseerd.
Deze studies gebeuren in samenwerking met
andere internationale laboratoria. De meting
van het stralingsveld buiten een ruimtetuig is
uniek. Experts testen verschillende sensoren en
technieken om de detectie van kosmische straling
nog te verbeteren.
Een doos met dosismeters van het SCK•CEN is bevestigd aan
de buitenkant van het Europese COLUMBUS-laboratorium
in het ISS. (bron: ESA)
De zonnewind voert energierijke geladen
deeltjes aan die door het aardmagnetisch
veld worden vastgehouden in de Van Allengordels (de groene lussen op de figuur).
(bron: www.astronomygcse.co.uk)
De dosissen ioniserende straling in het ISS
verschillen naargelang de positie in zijn baan om
de aarde. In de buurt van de evenaar is de dosis
laag, aan de polen is ze hoger. Daarnaast hebben
de Van Allen-gordels een invloed op de dosis in
het ISS. Dit zijn twee gordels om de aarde met
energierijke geladen deeltjes. De zonnewind voert
ze grotendeels aan en het aardmagnetisch veld
houdt ze vast. Bij de polen duiken de magnetische
veldlijnen naar het aardoppervlak en ook de
deeltjes uit de Van Allen-gordels komen daar
dichter bij de aarde. Door botsingen met zuurstofen stikstofatomen in de atmosfeer ontstaat het
spectaculaire noorder- of zuiderlicht. Het ISS
doorkruist de gordels drie keer per dag en dan kan
de stralingsdosis met een factor 100 toenemen.
Aangezien de dosis in een ruimtecapsule al 100
keer hoger is dan op aarde, is ze wel 10 000 keer
zo hoog in de Van Allen-gordels.
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
9
2
Is een ruimtereis wel gezond?
Wetenschappers weten dat een verblijf
in de ruimte invloed heeft op het
menselijk lichaam. Naast verhoogde
straling en verminderde zwaartekracht
kunnen stressfactoren zoals het leven
in een afgesloten ruimte, werkbelasting
en verstoorde slaap- en eetpatronen
problemen veroorzaken.
Bloedanalyses van astronauten
Een ruimtereis tast het immuunsysteem
van astronauten aan. Waarom dit zo is en
welke mechanismen daarbij een rol spelen,
vereisen verder onderzoek. In samenwerking
met de Europese, Amerikaanse en Russische
ruimtevaartagentschappen meet het SCK•CEN de
invloed van een lang verblijf in de ruimte via het
bloed van astronauten. Zo ondergaat een team
dat zes maanden verblijft in het Internationaal
Ruimtestation ISS analyses met geavanceerde
biochemische en moleculaire technieken.
Onderzoekers bepalen de concentratie aan
hormonen in het bloedserum, de cellulaire
veranderingen in de witte bloedcellen en
bestuderen de schade aan het DNA.
Elke persoon heeft een verschillende stralingsgevoeligheid. Ook bij astronauten loopt de
gevoeligheid voor kosmische straling sterk uiteen.
Dit is belangrijk bij langetermijnvluchten zoals
naar Mars, waarbij langdurige blootstelling
onvermijdelijk is. Chronische blootstelling kan
gezondheidseffecten hebben (bv. cataract) en het
risico op kanker verhogen.
Opsporen van DNA-schade in menselijke cellen na bestraling:
links controlecellen, rechts bestraalde cellen.
10
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
Simulator van het
oppervlak van Mars
Module met nutsvoorzieningen
(EU-250)
sportruimte, serre, opslagruimte
voor middelen, koelkast,
thermische kamer, toilet
Simulator van het
landende Mars-schip
(EU-50)
Medische module (EU-100)
bewoonbaar compartiment,
keuken-eetkamer,
werkplaatsen met medische
uitrusting, toilet
Bewoonbare module (EU-150)
6 individuele compartimenten,
gemeenschappelijke ruimte,
hoofdconsole, keuken, toilet
De MARS 500-bunker. (bron: ESA)
Ruimteomstandigheden nagebootst op aarde
Ook op aarde bestuderen onderzoekers de
verzwakking van het menselijke immuunsysteem
in omstandigheden gelijkend op die in de ruimte.
Dit is mogelijk dankzij de bedrust-studies, de MARS
500-bunker en het zuidpoolstation Concordia.
Om belangrijke veranderingen veroorzaakt door
gewichtloosheid te onderzoeken, is het SCK•CEN
in Frankrijk en Duitsland betrokken bij bedruststudies. Tijdens langdurige rust die tot 60 dagen
kan duren, liggen de proefpersonen op een bed
met het hoofd zes graden lager dan met de
voeten. Deze houding stimuleert het langzaam
wegkwijnen van de spieren, beenderontkalking en
opstapeling van lymfevocht in het bovenlichaam,
analoog aan wat er in de ruimte gebeurt. Dankzij
de bedrust-studies ontwikkelen wetenschappers
ook methoden om de effecten van gewichtloosheid
te voorkomen of te verhelpen. In deze context
worden specifieke lichaamsoefeningen, therapie
en aanpaste medicatie of voeding getest en
vergeleken met elkaar.
Het MARS 500-project simuleert een missie naar
Mars door Russische en Europese vrijwilligers 520
dagen te isoleren in een bunker in Moskou. In dit
project worden de psychologische en fysiologische
gevolgen van langdurige isolatie onderzocht bij
zes personen voor, tijdens en na hun verblijf in de
bunker.
In het zuidpoolstation Concordia verblijven
mensen voor een lange periode afgesloten van
de buitenwereld. Het station ligt op grote hoogte
waar er minder zuurstof is: 12-13 procent in plaats
van 20 procent op zeeniveau. Dit noemt men
hypoxia. Op Antarctica is het aardmagnetisch
veld zwakker waardoor er minder bescherming is
tegen kosmische straling. Deze omstandigheden
(langetermijnafzondering, hypoxia en verhoogde
straling) bestaan ook in het ISS en kunnen leiden
tot nieuwe inzichten over het immuunsysteem
van astronauten. Het SCK•CEN analyseert de
hormonale niveaus in het bloed omdat deze de
gezondheid of stress goed weerspiegelen.
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
11
Menselijke huidcellen en bloedvatencellen
in de ruimte
De huid is het grootste orgaan van ons lichaam.
Haar beschermingslaag is zeer gevoelig voor
schadelijke omgevingsfactoren. De aantasting
van de huid is een van de meest voorkomende
symptomen vastgesteld bij astronauten. Via
ruimtevluchtexperimenten met menselijke huidcellen onderzoekt het SCK•CEN de biologische
effecten van kosmische straling en sterk
verminderde zwaartekracht. Hiervoor werd een
onbemand ruimtetuig ingezet dat 12 dagen in een
lage baan om de aarde vloog en kleine modules
bevatte met menselijke huidcellen in.
Naast huidcellen zijn ook de cellen die de
wanden van onze aders vormen gevoelig voor
ruimtecondities. Deze cellen kunnen beschadigd
raken in de ruimte waardoor het risico op
bloedingen verhoogt. Het SCK•CEN zal deelnemen
aan een experiment met bloedvatencellen
in het ISS om de biologische effecten van
gewichtloosheid nog verder te bestuderen.
Het ruimtetuig met experimenten wordt klaargemaakt voor lancering. (bron ESA)
12
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
1-2 u
24 u
60 u
3
d
d
4d
5d
d
d
Muisembryo in verschillende ontwikkelingsstadia:
vanaf 2 uur na de bevruchting tot 5 dagen oud.
Met verschillende toestellen simuleren we ook
in onze laboratoria ruimteomstandigheden.
Om gewichtloosheid na te bootsen worden
menselijke cellen op een toestel geplaatst dat in
drie dimensies draait, waardoor ze voortdurend
vallen. Ter vergelijking kweken we menselijke
cellen in normale zwaartekracht om de verschillen
in groei, celvorm en genetische samenstelling te
onderzoeken.
Invloed op de vruchtbaarheid en groei van
een foetus
Kunnen astronauten zwanger worden in de ruimte
en kan de vrucht zich normaal ontwikkelen? Om
die vragen te beantwoorden, stelde ESA een team
samen dat zich buigt over de ontwikkelingsbiologie
van gewervelde organismen onder ruimtecondities.
33 gespecialiseerde laboratoria doen onderzoek
op gebied van fysiologie, moleculaire biologie,
biochemie, gedrag,… in verschillende ontwikkelingsstadia van het embryo.
Het SCK•CEN levert een bijdrage met zijn
uitgebreide kennis en ervaring op gebied van
radiobiologie, embryonale ontwikkeling in
stralingsomgevingen en moleculaire biologie.
Vaak wordt de muis gebruikt voor moleculaire,
biochemische en pathologische studies omdat ze
een goed onderzoeksmodel is voor de menselijke
embryologie.
Toestel van het SCK•CEN dat draait in drie
dimensies om gewichtloosheid te simuleren.
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
13
3
Bacteriën in de ruimte: vriend of vijand?
Op aarde komen bacteriën en andere
micro-organismen met miljoenen voor
op onze huid en in ons darmkanaal.
We hebben ze nodig, maar ze kunnen
ons ook ziek maken. Dit delicate
evenwicht behouden is zeer belangrijk
bij bemande ruimtevluchten. Onder
invloed
van
gewichtloosheid
en
verhoogde kosmische straling, gedragen
zowel het afweersysteem van astronauten
en bacteriën zich immers anders dan
op aarde. Het Studiecentrum voor
Kernenergie onderzoekt dit fenomeen
samen met internationale partners.
Welke bacteriën vinden we in ruimtecapsules?
Eén van de projecten is de inventarisatie van
alle bacteriën die kunnen leven en overleven in
ruimtecapsules. Het SCK•CEN gebruikt hiervoor
het Internationaal Ruimtestation ISS. Er leven
continu minstens drie astronauten in deze gesloten
ruimte met een doorgedreven luchtcirculatie
waarin bacteriën zich kunnen opstapelen. Om
dit te voorkomen, steriliseren de Amerikaanse,
Europese en Russische ruimtevaartorganisaties
de materialen van de ruimtecapsules zo goed
mogelijk. Bij bemande vluchten zijn mensen
echter de grootste bron van micro-organismen.
Deze kunnen op termijn een potentieel gevaar
vormen voor de gezondheid van de astronauten
en voor de ruimtecapsule.
We werken samen met Russische onderzoekers
van IBMP (Institute for Biomedical Problems) in
Moskou om het aantal bacteriën en schimmels
in de lucht van ruimtecapsules te tellen en op te
volgen. Er mogen maximum 1 000 bacteriecellen
per cm³ lucht aanwezig zijn.
Karakterisering van bacteriën uit ruimtecapsules.
14
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
Kunnen bacteriën in de ruimte schadelijk zijn?
Om na te gaan of ze in ruimtecondities ziektes
kunnen veroorzaken, identificeren microbiologen
de bacteriën en bepalen ze hun genetische
inhoud: men onderzoekt of ze stukjes DNA
(mobiel genetische elementen) van andere
bacteriën bevatten waardoor ze bijvoorbeeld
materialen kunnen aantasten of resistent zijn
tegen ontsmettingsmiddelen of antibiotica.
Dit verschijnsel kennen we ook op aarde bij de
ziekenhuisbacterie. Ze is steeds meer resistent
tegen verschillende antibiotica omdat ze in de
ziekenhuisomgeving nieuwe stukjes DNA opneemt
en inbouwt in haar chromosoom.
Het SCK•CEN onderzoekt samen met Amerikaanse
microbiologen het koel- en drinkwater van het
ISS om de aanwezige soorten bacteriën en hun
eigenschappen te bepalen. Er zijn bacteriën
gevonden die resistentie vertoonden tegen zilver.
Dit is niet zo vreemd omdat het water in het ISS
volgens het Russische systeem ontsmet wordt met
zilverionen en niet met chloor zoals gebuikelijk op
aarde. Hier kan in de toekomst het inzetten van
andere desinfecteermiddelen aangewezen zijn.
Het station Concordia in het binnenland van
Antarctica en de bemanning zijn betrokken bij
ruimtevaartonderzoek. (bron: ESA)
Stalen uit de ruimte zijn schaars
Omdat stalen uit de ruimte schaars zijn,
bestudeert men ook op aarde stalen met bacteriën
uit gesloten leef- en werkruimtes. In het station
Concordia op de Zuidpool verblijven mensen
langdurig geïsoleerd van de buitenwereld.
Microbiologen tellen de hoeveelheid bacteriën
per m³ lucht en gaan na hoe de verschillende
populaties meer of minder dominant worden. Ze
onderzoeken hoe de bacteriën zich verspreiden via
de lucht, op oppervlakten en van de ene persoon
naar de andere tijdens het isolement in een
gesloten omgeving, gelijkaardig aan het ISS.
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
15
4
Wat zullen we eten, drinken en ademen tijdens
lange ruimtemissies?
Een astronaut verbruikt per dag ongeveer
1 kg zuurstof, 1 kg voedsel, 3 kg drinkwater
en 15 kg water voor persoonlijke hygiëne.
Ook het geproduceerde afval bestaat
hoofdzakelijk uit water. Voor lange
vluchten, zoals naar Mars, zouden de reis
en het verblijf samen 2,5 tot 3 jaar kunnen
duren. In dit geval is het onmogelijk
om voldoende water en voedsel mee te
nemen en al het afval op te slaan. Daarom
werkt het SCK•CEN samen met het
Europese Ruimtevaartagentschap ESA en
andere Europese partners aan biologische
oplossingen om water te recycleren en
voedsel en zuurstof te produceren.
Een biologisch afvalrecyclagesysteem
Ongeveer 20 jaar geleden startte ESA met
de ontwikkeling van een hoogtechnologisch
biologisch afvalrecyclagesysteem voor ruimtemissies. Het project kreeg de naam MELiSSA:
Micro-Ecological Life Support System Alternative.
Na vele jaren onderzoek werd in 2009 in
Barcelona (Spanje) een eerste pilootopstelling
van het volledige MELiSSA-systeem gebouwd. Het
prototype ondergaat nauwkeurige tests die de
verdere ontwikkeling zullen ondersteunen.
Afrikaans meer: natuurlijk recyclage-ecosysteem als model voor MELiSSA. (bron: ESA)
16
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
Niet-eetbare gedeelte van
hogere planten
Afval
Water
Compartiment I
Bemanning
Thermofiele anaërobe
bacteriën
CO2
Voedsel
O2
CO2
Compartiment IV
IV b
Hogere planten
compartiment
IV a
NO3
-
Mineralen
Urine
Fotoautotrofe
bacteriën
Arthrospira sp.
O2
Vluchtige vetzuren
Mineralen
Het MELiSSAkringloop concept
Compartiment II
Compartiment III
Nitrificerende bacteriën
Nitrosomonas/Nitrobacter
NH4+
Fotoheterotrofe bacteriën
Rhodospirillum rubrum
NH4+
Mineralen
De MELiSSA-kringloop. (bron: ESA)
MELiSSA is een kring van aan elkaar gekoppelde
biologische reactoren (4 compartimenten) om
afval (afvalwater, koolstofdioxide en organisch
materiaal) te recycleren tot drinkbaar water,
voedsel en zuurstof. Verschillende bacteriën
breken het organische materiaal af tot
koolstofdioxide, ammonium, nitraten en andere
mineralen die op hun beurt voedingsstoffen zijn
voor planten en cyanobacteria. Beide kunnen
door fotosynthese zuurstof produceren en zijn
ook een bron van voedsel. De cyanobacterie
Arthrospira sp. is bijvoorbeeld een hoogwaardig
voedingssupplement dat vele vitaminen en
mineralen bevat.
Kweek en gedetailleerd onderzoek van de eetbare
groene cyanobacterie Arthrospira sp., ook spiruline
genoemd vanwege haar spiraalvormige structuur.
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
17
De rood gepigmenteerde MELiSSA bacterie Rhodospirillum rubrum kan zonder
zuurstof en met gebruik van lichtenergie organisch materiaal afbreken.
Voor het MELiSSA-project bestudeert
en karakteriseert het SCK•CEN in detail
elke bacterie van elk compartiment. We
onderzoeken of ze hun afbraakfunctie
nog effectief kunnen vervullen in de
ruimte waar ze worden blootgesteld aan
kosmische straling en gewichtloosheid.
Daarom kweken we de bacteriën onder
verschillende condities en ontleden we
hun celstructuur en celinhoud (DNA, RNA
en eiwitten).
18
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
Afvalrecyclerende bacteriën in de ruimte
Bacteriën als bodemverbeteraars in de ruimte?
Om de ruimte-effecten te bestuderen, stuurde het
SCK•CEN pakketjes met bacteriën voor 10 dagen
naar het Internationaal Ruimtestation ISS.
Astronauten fotografeerden de bacteriën die
groeiden in een gesloten transparante doos.
Na hun terugkeer uit de ruimte onderzochten
microbiologen van het SCK•CEN ze minutieus.
Een nieuwe uitdaging is om de groei en
zuurstofproductie van spiruline in een kleine
bioreactor te testen tijdens een ruimtevlucht.
De bodem op de maan of mars is steriel en niet
geschikt voor landbouw. ESA stelde een team
samen van geologen en biologen om te bekijken
of en hoe bacteriën en andere micro-organismen
in de toekomst nuttig zouden kunnen zijn om de
bodem te verbeteren. De experts bekijken hoe
micro-organismen mineralen kunnen vrijmaken,
organische stoffen kunnen produceren en toxische
stoffen vasthouden.
We simuleren ruimteomstandigheden ook in
onze laboratoria. Om de effecten van kosmische
straling te onderzoeken, stellen we bacteriën bloot
aan verschillende stralingsbronnen. Daarnaast
kweken we bacteriecellen onder voortdurende
rotatie om gewichtloosheid na te bootsen en de
invloed ervan te bestuderen.
Het SCK•CEN levert een bijdrage met zijn
uitgebreide kennis en ervaring op gebied van
moleculaire biologie, bacteriële activiteit in
vervuilde bodems en stralingsrijke omgevingen en
bacteriële interactie met vulcanische gesteenten,
klei en toxische stoffen (zoals metalen).
De MELiSSA-bacterie R. rubrum is tijdens de ruimtereis
in het ISS goed gegroeid op de voedingsbodem.
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
19
5
Onderzoeksreactor BR1 en kosmische straling
Om de invloed van kosmische straling op
materialen en instrumenten te simuleren en
te onderzoeken, gebruikt het SCK•CEN zijn
reactor BR1 (Belgian Reactor 1). In opdracht
van gespecialiseerde firma’s bestralen we
elektronische componenten voor de ruimtevaart
met snelle neutronen. Zo kan men de potentiële
schade bepalen die hoogenergetische deeltjes in
de kosmos kunnen aanrichten.
Reactor BR1 op het Studiecentrum voor Kernenergie in Mol.
20
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
6
Astronauten zijn onmisbaar voor
ruimtevaartonderzoek
Het Studiecentrum voor Kernenergie
bedankt de Belgische astronaut Frank De
Winne voor zijn actieve bijdrage aan het
ruimtevaartonderzoek van het SCK•CEN
en de zorg voor de experimenten in de
ruimte. Het SCK•CEN dankt ook Belspo
en ESA voor hun ondersteuning.
Belgische astronaut Frank De Winne. (bron: ESA)
SCK•CEN - Ruimtevaartonderzoek
21
SCK•CEN – Studiecentrum voor Kernenergie
Het SCK•CEN is een stichting van openbaar nut met een privaatrechtelijk statuut,
onder voogdij van de Belgische federale minister van energie.
Vlaamse Ruimtevaartindustrie, VRI
Het SCK•CEN is lid van VRI, de Vlaamse Ruimtevaartindustrie. VRI groepeert
bedrijven, onderzoekscentra en onderwijsinstellingen die actief zijn in de
ruimtevaartsector. De vereniging heeft als doel deze hoogtechnologische sector
in Vlaanderen op de kaart te zetten en onder de aandacht te brengen bij het
professionele en het algemene publiek.
Laboratoria
SCK•CEN, Boeretang 200, BE-2400 MOL
Maatschappelijke zetel
SCK•CEN, Herrmann-Debrouxlaan 40, BE-1160 BRUSSEL
Verantwoordelijke uitgever
Eric van Walle
Directeur-generaal
Copyright © 2012 – SCK•CEN
Dit werk is auteursrechtelijk beschermd (2012).
Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt
zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van het SCK•CEN.
Contact
SCK•CEN
Boeretang 200
BE-2400 MOL
[email protected]
www.sckcen.be
Keurmerk voor verantwoord
bosbeheer.
Het SCK•CEN geeft om het
milieu.
Keurmerk voor verantwoord bosbeheer.
Het SCK•CEN geeft om het milieu.