STS-107 is de eerste puur wetenschappelijke shuttlevlucht in drie jaar. In het ladingsruim van de shuttle bevindt zich de SPACEHAB Research Double Module, een onder druk gehouden compartiment, waarindat de bemanning experimenten kan uitvoeren. Spacehab en het middendek van de shuttle herbergen 31 wetenschappelijke ladingen met meer dan tachtig experimenten op het gebied van medische wetenschappen, ruimteonderzoek en techniek. Bij de experimenten zijn meer dan zeventig wetenschappers over de hele wereld betrokken. Zeven van de 31 wetenschappelijke ladingen zijn gesponsord door ESA en zijn bedoeld ter voorbereiding van verder onderzoek aan boord van het internationaal ruimtestation. ESA sloot daartoe een ruilovereenkomst met NASA.

“Van onze kant stellen wij een Airbus Super Guppy beschikbaar om grote elementen van het in aanbouw zijnde internationaal ruimtestation in de VS te kunnen vervoeren,” vertelt Jörg Feustel-Büechl, ESA’s directeur voor bemande ruimtevaart. “In ruil daarvoor brengt NASA nu 450 kg aan technische en wetenschappelijke experimenten voor ons omhoog.”

Zes van de zeven ESA-payloads bevatten experimenten op het gebied van medische en biowetenschappen, zoals de Advanced Protein Crystallisation Facility (APCF), het Advanced Respiratory Monitoring System (ARMS), Biobox, Biopack, de European Research in Space and Terrestrial Osteoporosis facility (ERISTO), en de Facility for Adsorption and Surface Tension studies (FAST). De zevende payload bevat het Combined 2 Phase Loop Experiment (COM2PLEX), een technologische demonstratie bedoeld voor het testen van nieuwe systemen voor de warmtehuishouding van satellieten.

“STS-107 is een zeer belangrijke missie voor Europa, zegt Marc Heppener, hoofd van ESA’s International Space Station Utilisation and Microgravity Promotion Division. “We bouwen ermee voort op onze ervaring met Spacelab dat omhoog ging aan boord van eerdere shuttlevluchten, en bereiden er langduriger en nog veel diepgaander onderzoek aan boord van het internationaal ruimtestation mee voor.”

ESA’s wetenschappelijke ladingen bevinden zich in Spacehab dat zich in het laadruim van de shuttle bevindt en met het verblijf voor de bemanning op het middendek is verbonden door een slurf. Het ontwerp en de technologie van Spacehab zijn afgeleid van ESA’s eerdere Spacelabprogramma.

Nederlandse experimenten

De STS-107 missie is ook voor Nederland van groot belang omdat er zoweldrie Nederlandse experimenten (AORTA, BONES en BIOKIN) als een grote hardware-bijdrage van de Nederlandse industrie (BIOPACK en MAMBA)op meevliegen. De Nederlandse wetenschappelijke bijdragen worden gecoördineert door het Programmabureau Extern Onderzoek, dat gevestigd is bij het nationaal instituut voor ruimteonderzoek SRON.

AORTA

Bij het experiment AORTA zal de totale zevenkoppige bemanning van de shuttlevlucht na terugkomst van de vlucht nauwlettend in de gaten worden gehouden door het team van fysioloog dr. John M. Karemaker (Universiteit van Amsterdam). Karemaker conrtroleert hun lichaamsfuncties zoals de ademhaling, de hartslag en de bloeddruk. Met name de bloeddruk wordt door gewichtloosheid beïnvloed. Kennis hierover kan onder meer helpen bij het voorkomen van bloeddrukproblemen bij bedlegerige patiënten. Astronauten en bedlegerige patiënten hebben met elkaar gemeen dat hun bloedvolume daalt doordat het lichaam zich aanpast aan situaties waarbij fysiologische systemen niet of nauwelijks belast worden. Bij het opstaan uit bed, of bij terugkomst op aarde, heeft het lichaam moeite met de regulatie van bloeddruk en hartslag. Dat kan leiden tot flauwvallen. Maar niet iedereen heeft hier evenveel last van. En dat is nu juist waar dit onderzoek zich op richt, die individuele verschillen.

Karemaker wil proberen te voorspellen welke astronaut meer problemen met de bloeddrukregeling zal hebben en welke minder. Dit voorspellen gaat natuurlijk wetenschappelijk verantwoord, op basis van een computermodel dat de mogelijke reacties van het lichaam op de hervonden zwaartekracht beschrijft. Na invulling van de individuele gegevens van een astronaut of een patiënt moet het model kunnen voorspellen of er problemen te verwachten zijn. Zulke individuele gegevens over bloeddrukregeling worden in het laboratorium gemeten in een uitgekiend testprotocol. Alle zeven astronauten hebben in januari en oktober 2002 in het Amsterdamse AMC dit testprotocol ondergaan. De proef op de som komt wanneer de STS-107 Space Shuttle landt. Dan wordt aan de astronauten gevraagd om 10 minuten te blijven staan. Er wordt gekeken of de voorspellingen over wie dat wel en wie dat niet zou kunnen ook kloppen. Het computermodel kan hierdoor nog verder verfijnd worden. Op den duur zullen artsen daardoor beter in kunnen spelen op problemen met de bloeddrukregeling, niet alleen bij astronauten, maar met name ook bij bedlegerige patiënten op aarde.

BONES

Langdurig verblijf in de ruimte heeft ontkalking van de botten tot gevolg. Dr. J. Paul Veldhuijzen (Vrije Universiteit, Amsterdam) probeert de mechanismen die hieraan ten grondslag liggen, te ontsluieren. Dit kan bijdragen aan kennis over immobilisatie osteoporose, botverlies dat bij het ouder worden optreedt door een verminderde mobiliteit. Deze vorm van osteoporose heeft, naast ernstige gevolgen in de persoonlijke sfeer, door de toenemende vergrijzing ook steeds meer economische gevolgen.

Twee processen spelen een rol bij botontkalking: mineralisatie en demineralisatie, oftewel de opbouw en de afbraak van mineralen (o.a. calcium) in het bot. Deze twee processen spelen zich constant, en in evenwicht met elkaar, af in gezonde botten. Veldhuijzen richt zich juist op het demineralisatieproces en de invloed van micro-zwaartekracht hierop. Een proces waarbij osteoclasten, mineraalafbrekende cellen, een belangrijke rol spelen.

Het experiment, uitgevoerd op embryonale muizenbotjes, bestaat uit twee delen: een biochemisch deel en een histologisch deel. Bij het biochemisch onderzoek wordt radioactief calcium al bij de zwangere muis ingespoten. Dit calcium wordt dan ook in het embryo gebruikt voor de botopbouw (mineralisatie). Als het embryo 17 dagen oud is, worden de botjes geïsoleerd en in een medium gezet waarin ze verder kunnen groeien. Mineralisatie en demineralisatie kunnen gewoon doorgaan. Op dit moment worden de botjes de ruimte ingestuurd. Na afloop van het experiment kan de activiteit van de osteoclasten bepaald worden aan de hand van de hoeveelheid radioactief calcium dat zich in het medium bevindt. Dit moet namelijk afkomstig zijn uit de botjes en dus door de osteoclasten zijn verwijderd.

Bij het histologische onderzoek wordt er gekeken naar de osteoclasten zelf. Dit wordt gedaan na afloop van de vlucht. Er wordt dan onder andere gekeken naar de grootte van de cellen, de hoeveelheid kernen en de enzymproductie. Dit zijn indicatoren voor de activiteit van de cellen.

Na 2 of 4 dagen wordt het experiment beëindigd door bevriezing (bij het biochemische deel) of door toevoeging van formaldehyde (in het geval van het histologisch onderzoek). De activiteit van de osteoclasten wordt dus ook na verschillende tijdsintervallen onderzocht.

Het BONES-experiment zal ook worden uitgevoerd door de Nederlandse arts en astronaut André Kuipers, tijdens zijn dit najaar uit te voeren vlucht naar het internationaal ruimtestation.

BIOKIN

Met het derde Nederlandse experiment aan boord van STS-107, onder leiding van drs. Jaap van der Waarde (Bioclear, Groningen), kunnen de mogelijkheden van biologische luchtfilters bij bemande ruimtevluchten verder worden uitgewerkt. Het gaat hier om filters die de lucht kunnen zuiveren en recyclen met behulp van bacteriën. Voordat dit werkelijkheid is, moeten de effecten van microzwaartekracht op de bacteriën bekend zijn. Dat wil zeggen dat de natuurkundige en biologische principes die hieraan ten grondslag liggen in kaart moeten worden gebracht. Dit wordt gedaan door de biologische afbraak van twee luchtverontreinigers, ethanol en 1,2-dichloorethaan, te meten in zo’n experimenteel biofilter.

De bacteriestam Xanthobacter autotrophicus GJ10 wordt, samen met het groeisubstraat ethanol, in een speciaal ontwikkeld zakje gedaan dat in de koeling bewaard wordt. Dit zakje is een miniatuurversie van het luchtfilter. Zodra de Space Shuttle in een baan om de aarde is, wordt de container, waarin het zakje zit, naar 30°C gebracht. De bacteriestam kan nu gaan groeien, maar het experiment is nog niet gestart. Dit gebeurt pas als een ander groeisubstraat vrijkomt: 1,2-dichloroethaan, dat door de bacteriën volledig wordt afgebroken tot chloride. Na afloop van het experiment kan aan de hand van de hoeveelheid gevormd chloride de activiteit van de bacteriën worden afgeleid. Maar er wordt ook gekeken naar hoe goed de bacteriën zijn gegroeid en of de gevoeligheid voor 1,2-dichloorethaan wordt veranderd door microzwaartekracht.

Na precies 30 minuten stopt het experiment doordat er een fixatief vrijkomt. Dit fixatief is eigenlijk al die tijd al aanwezig geweest in het zakje, maar zat veilig in een capillair pijpje. Als dit pijpje wordt gebroken komt het fixatief vrij. De start van het experiment, bij het vrijkomen van het substraat 1,2-dichloroethaan, is op precies dezelfde wijze tot stand gekomen. Omdat het van groot belang is dat bij alle samples de tijdsduur precies even groot is, wordt het breken van de capillairen automatisch gedaan. Dat zit in het mechanisme van de container, die hiervoor speciaal zo gemaakt is (zie hieronder bij MAMBA). De astronaut moet hierna nog wel de containers in de koeling stoppen (4°C), waarna ze bij terugkomst op aarde onderzocht kunnen worden. De resultaten van dit onderzoek zullen worden gebruikt bij het verder ontwerpen van een biologisch luchtfilter dat kan worden toegepast in de bemande ruimtevaart.

BIOPACK

Ruimte aan boord van de Space Shuttle, maar ook het internationale ruimtestation ISS, is kostbaar. Hierdoor is de ruimte voor wetenschappers om hun experimenten te kunnen doen, beperkt. Vandaar dat het noodzakelijk is met zo klein mogelijke apparatuur zo veel mogelijk te kunnen doen. Het Nederlandse Bradford Engineering (Heerle) heeft hiervoor BIOPACK ontwikkeld: het biedt wetenschappers een faciliteit voor biologisch onderzoek onder verschillende condities (o.a. temperatuur en zwaartekracht). Het is speciaal ontwikkeld om kleine biologische samples, zoals weefselkweken, kleine plantjes of insecten te herbergen. Wat BIOPACK nog interessanter maakt, is dat het een geautomatiseerde onderzoeksfaciliteit is: er kunnen autonome experimenten gedaan worden met minimale interventie van astronauten. STS-107 is de eerste vlucht voor BIOPACK.

BIOPACK bestaat uit twee delen, het BIOPACK Interface Frame (BIF) en de BIOPACK Experiment Insert (BEI). BIF is de elektronische en thermische infrastructuur en BEI de eigenlijke payload. BEI bevat drie experimentcompartimenten: een incubator (20°C t/m +37°C), een koeler (4°C) en een vriezer (-15°C). In de incubator bevindt zich een uitschuiflade waarop de experimenten worden uitgevoerd. Deze lade is door Dutch Space (Leiden) voor Bradford ontwikkeld. BIOPACK slaat de verkregen data ook op; zoals verschillende bereikte temperaturen, centrifugesnelheden, sensorwaarden, enzovoort. Door middel van een interne klok kan precies worden bijgehouden wanneer welke waarde gemeten is.

De experimentlade in de incubator kan tien type I containers (20 × 40 × 84 mm) en twee type II containers (63 × 63 × 87 mm) herbergen, in zowel statische posities als op centrifuges. De centrifuges kunnen situaties verzorgen tot aan 2g. Hierdoor kunnen er tijdens de vlucht ‘grondcontroles’ van 1g gecreëerd worden, die behalve gewichtloosheid wel alle andere variabelen van de ruimtevlucht ondervinden. In zowel de koeler als in de vriezer kunnen tien type I containers. Het verplaatsen van de containers vanuit de koeler of vriezer naar de incubator is een van de weinige handelingen die door een astronaut gedaan moet worden. De Nederlandse experimenten BONES en BIOKIN gaan in type I containers mee met BIOPACK.

MAMBA

Speciaal voor de experimenten BONES en BIOKIN heeft Dutch Space (Leiden) automatische experiment-units ontwikkeld en gebouwd. Zij passen precies in de type I containers. Met behulp van deze zogenaamde MAMBA units (Motorized Ampoule Breaker Assembly) is het mogelijk om zonder tussenkomst van een astronaut de biologische experimenten te activeren of te fixeren. De samples zitten hiervoor in een speciaal zakje waarvan er vier (20 × 80 mm) of acht (20 × 40 mm) in een MAMBA unit (20 × 40 × 80 mm) kunnen. In dit zakje zitten ook één of twee capillairpijpjes (de ampoules) waarin een activerende of een fixerende stof zit. Het MAMBA-motortje drijft een pennetje aan dat ervoor zorgt dat deze twee pijpjes, met een bepaald tijdsinterval en in een bepaalde volgorde, gebroken kunnen worden, zodat hun inhoud vrijkomt.

Het grote voordeel van deze automatische activatie en fixatie is dat de container met het biologische materiaal gesloten kan blijven, wat de veiligheid verhoogt. Tevens wordt de timing van het experiment sterk verbeterd. Verwacht wordt dat de wetenschappelijk uitkomsten hierdoor veel nauwkeuriger zullen zijn.