Experimenten

België is een belangrijke partner binnen de ESA: 3% van het totale budget van ESA wordt door het Federale ministerie voor Wetenschappen bijgedragen. Dat geld wordt gebruikt voor de ontwikkeling van Europese onderdelen van het ISS, voor de apparatuur waarmee het uitgerust zal worden en voor de experimenten die er uitgevoerd zullen worden. Om deze investeringen te recupereren zal Frank De Winne tijdens zijn verblijf in het ISS tal van Belgische experimenten uitvoeren.

Het is de bedoeling dat Europa in 2005 een eigen ruimtelaboratorium aan het ISS krijgt, de module Columbus. Daar moeten in de toekomst Europese astronauten Europese experimenten kunnen uitvoeren. Die experimenten komen ten goede aan onze wetenschap, maar ook aan onze industrie: tal van praktische toepassingen zijn al ontwikkeld uit onderzoek dat in de ruimte gebeurde.

Frank De Winne is een astronaut en piloot, en geen wetenschapper. Hij wordt echter uitvoerig ingelicht over de onderzoeksdomeinen en experimenten die hij zal moeten uitvoeren. Wetenschappers zijn vaak specialisten in hun eigen domein, maar weten veel minder over andere wetenschappen. Frank De Winne wordt opgeleid tot specialist in het uitvoeren van heel uiteenlopende experimenten. Zo kan er efficiënt op talloze domeinen tegelijk vooruitgang geboekt worden.

De missie van Frank De Winne heet Odissea. Dat verwijst naar de Odyssee, de legendarische reis van de Griekse held Odysseus na de Trojaanse oorlog. Na tien jaar kwam hij eindelijk thuis. Ook de bemande ruimtevaart staat zo'n lange en moeilijke tocht voor de boeg. Stilaan kan het wetenschappelijk onderzoek in de ruimte beginnen, en leren we via het ISS met verschillende landen samenwerken aan een grote missie. Odissea verwijst ook naar de volgende uitdaging: een bemande vlucht naar Mars.

Fysiologie

Een eerste belangrijke onderzoekstak is de menselijke fysiologie. Sinds het Skylab-programma weten we dat langdurig verblijf in de ruimte nadelige gevolgen heeft voor het hart, het spierweefsel en de beenderen van de astronauten. Er wordt niet alleen gezocht naar manieren om die nadelige gevolgen tegen te gaan, ze worden ook gebruikt om die verschijnselen te bestuderen. Daaruit hopen we meer te leren over bijvoorbeeld hartziekten en ouderdomsverschijnselen.

Cardiovasculair onderzoek

Na een verblijf in de ruimte, zelfs als het maar een week duurt, heeft een astronaut last van duizeligheid en evenwichtsstoornissen. Dat komt doordat het cardiovasculair systeem zich opnieuw moet aanpassen aan de aardse zwaartekracht. CARDIOCOG zal onderzoeken hoe het hartritme zich aan de microzwaartekracht aanpast, en wil zo inzicht bieden in de aanpassingsmechanismen die ons lichaam in de ruimte ondergaat.

CARDIORESPIR onderzoekt het verband tussen het cardiovasculair stelsel en het ademhalingsstelsel in microzwaartekracht. We weten dat ieders hartritme kleine onregelmatigheden vertoont, en dat deze onregelmatigheden gebruikt kunnen worden om de onbewuste controle over ons lichaam (hartslag, longfunctie, automatische reflexen, ...) te onderzoeken. Tijdens de missie zal het hartritme van Frank De Winne gemeten worden, waarna het vergeleken wordt met zijn hartritme voor de vlucht.

Neurosensorisch onderzoek

Het verblijf in de ruimte is voor de astronauten natuurlijk erg vermoeiend en stresserend: ze moeten in een vreemde omgeving, zonder zwaartekracht, dagelijks zware en ingewikkelde taken uitvoeren. Belgische onderzoekers willen nu met het experiment COGNI proberen de invloed van die stress op het beslissingsvermogen van de ruimtevaarders te meten. Er zal vooral worden nagegaan of angst (een vrij makkelijk te meten emotie) het denkvermogen en de reactiesnelheid van de astronauten verandert. Men vermoedt dat de bewuste beslissingen meer beïnvloed worden door angst dan de automatische reflexen.

Een ander experiment, NEUROCOG, zal meten hoe snel de hersenen een bewegingsbeslissing kunnen maken in gewichtloze toestand. Daarvoor zal Frank De Winne een helm opkrijgen waarin hij een tocht maakt door een virtuele ruimte. Daarbij wordt gemeten hoe snel de hersenen kunnn beslissen in welke richting ze het lichaam moeten sturen. In normale omstandigheden duurt dat 0,8 seconden, in gewichtsloze toestand iets langer. Na een tijdje normaliseert deze reactiesnelheid echter terug, wat doet vermoeden dat de hersenen zich aan de gewichtloosheid aanpassen.

Biologie

Al sinds de eerste experimenten met bacterieculturen in de ruimte weten we dat er zich in gewichtloosheid allerlei vreemde effecten voordoen. Het experiment MESSAGE wil onderzoeken of de microzwaartekracht genetische afwijkingen doet ontstaan bij bacteriën, waardoor die bijvoorbeeld anders gaan reageren op prikkels of andere manieren van voortbeweging ontwikkelen. Dit experiment draagt ook bij tot het onderzoek naar genetische afwijkingen bij mensen.

Ook menselijke cellen worden in de ruimte bestudeerd met het oog op het onderzoeken van ziekten en het ontwikkelen van remedies. De experimenten van Frank De Winne zijn vooral gericht op osteoporose, de verzwakking van het steunweefsel (bot, huid, kraakbeen en bloedvaten). Op aarde ontwikkelen die weefsels zich onder invloed van de zwaartekracht. In de ruimte treden er veranderingen op in die steunweefsels. Eén van de celculturen die De Winne meeneemt bevat beenweefsel die genetisch gewijzigd zijn, zodat ze anders reageren op externe prikkels die hen tot groei aanzetten. Zo willen wetenschappers de invloed onderzoeken van deze reactie.

Een ander onderzoek naar osteoporose onderzoekt of het botweefsel van astronauten tijdens hun ruimtevlucht verzwakt doordat de osteoblasten, de cellen die het botweefsel produceren, minder snel gaan werken. Het experiment VITAMIN D bekijkt hoe osteoblasten van muizen reageren op de toediening van vitamine D in gewichtloze toestand.

Tenslotte is er het experimtent RAMIROS dat onderzoekt welke gevolgen microzwaartekracht en kosmische straling op cellen heeft. De onderzoekers vermoeden dat de cellen in deze omstandigheden sneller zullen verouderen. Op die manier levert het experiment een bijdrage tot het onderzoek naar ouderdomsziekten als Alzheimer en Parkinson.

Fysica

Ook in het domein van de fysische wetenschappen zal Frank De Winne aan boord van het ISS enkele Belgische experimenten uitvoeren. Het gaat hier meer bepaald over de studie van kristallisatie, verbrandingssynthese en difussieprocessen. Deze experimenten kunnen niet op aarde uitgevoerd worden, omdat ze daar onderhevig zijn aan de storende factoren van de zwaartekracht.

Een eerste experiment bestudeert de optimale omstandigheden voor kristallisatie van proteïnen bij gewichtloze toestand. Een beter kennis in deze materie is van groot belang voor het gebruik van proteïnen in de farmacologie. Ook de kristallisatie van zeolieten, anorganische stoffen die dankzij hun interessante structuur verscheidene chemische toepassingen kennen, is onderwerp van studie. Op lange termijn wil men nieuwe materialen produceren op basis van deze kristallen, die op aarde moeilijk verkrijgbaar zijn.

Op het programma staat eveneens een experiment dat onderzoek verricht naar materialen die geproduceerd worden via synthese door verbranding. De studie van deze syntheseprocessen in gewichtloze toestand zal extra informatie opleveren over het algemene mechanisme achter deze stoffenvorming en zijn verscheidene verbrandingsfasen.

Tenslotte komt ook onderzoek op het vlak van de vloeistoffenleer aan bod, met name de studie van diffusieprocessen in ruwe olie. Diffusie is het gelijkmatig verdelen van moleculen in een vloeistof of gas in een bepaalde ruimte door de beweging van de moleculen zelf. Om deze processen beter te begrijpen ontwikkelt met digitale simulatiemodellen, die experimenteel bepaalde metingen ("diffusiecoëfficiënten") nodig hebben om nauwkeurig te werken. Voor ruwe olie zijn deze diffusiecoëfficiënten weinig beschikbaar, daarom zullen hiervoor tijdens de Odissea-missie betrouwbare metingen gebeuren in gewichtloze toestand.