Människans utpost i rymden

Astronauten Nancy Currie har en joystick i händerna och styr rymdfärjans robotarm.

Armen håller i USA:s elva ton tunga Unity-modul. Intill den svävar den ännu större Zarja-modulen som ryssarna skickat upp två veckor tidigare.

På två timmar för hon samman modulerna, kopplingsmekanismen klickar till och de två första delarna av den internationella rymdstationen har kopplats ihop.

Det är 20 år sedan Zarja och Unity kopplades ihop och inledde det mest ambitiösa byggprojektet i människans historia – ett tyngdlöst laboratorium i rymden.

Under åren har Den internationella rymdstationen, ISS, givit forskare en unik möjlighet att undersöka fenomen i tyngdlöst tillstånd, lära sig om rymdens påverkan på kroppen och förbereda nästa steg ännu längre ut i rymden.

Nu tas experimentet till nya höjder när uppförandet av den första rymdstationen på månen snart ska inledas.

Forskare slapp gravitationen

Rymdens främmande miljö har särskilt två saker som vi saknar på jorden: kosmisk strålning och tyngdlöst tillstånd. Redan för 50 år sedan var forskarna medvetna om att forskning i dessa två fenomen bara kunde göras i ett labb som är permanent placerat utanför jordens atmosfär.

Därför följdes kapplöpningen till månen av en rymdstationskapplöpning och 1971 – bara tio år efter att Jurij Gagarin gjorde debut för människan i rymden – skickade Sovjetunionen upp världens första rymdstation, Saljut 1, i omloppsbana.

Det var en 20 meter lång, cylindrisk station med knappt 100 kubikmeters beboelig yta, som bara kunde ligga i omloppsbana runt jorden i 175 dagar.

Trots dess korta livslängd lyckades instrumenten ombord bland annat leverera banbrytande nya observationer av den enda kända källan till röntgenstrålning utanför solsystemet, stjärnan Scorpius X-1.

Tack vare en rad mätningar utförda med teleskopet ombord Saljut-stationen vet forskare i dag att Scorpius X-1 är en neutronstjärna som via sin gravitation håller på att sluka sin betydligt mindre partnerstjärna.

Upptäckten kunde aldrig ha gjorts från jorden, där atmosfären skulle störa alla observationer, eller på kortare expeditioner i rymden då tiden inte räcker till för att samla data.

Observationerna av neutronstjärnan var avgörande för forskningen i andra solsystem. Forskare behöver den kunskap de kan få om olika typer av stjärnor, deras förekomst och hur deras planeter är uppbyggda för att kunna fokusera sökandet efter exoplaneter – där det är störst chans att man kan hitta främmande liv.

Teleskop avslöjade solens yttre

1973 följdes ryssarnas Saljut-succé upp av den amerikanska stationen Skylab, som bland annat skulle studera strålningen från vår egen stjärna, solen.

Med ombord på Skylab fanns Apollo Telescope Mount som bestod av åtta olika instrument – bland annat röntgenteleskop och ultravioletta spektrografer.

Instrumenten kunde fånga upp solljuset i detalj som aldrig förr och dela upp det i enskilda väglängder – utan att det stördes av jordens atmosfär. På så sätt fick forskarna en betydligt bättre inblick i vilka ämnen som utgör solens yttre.

Skylabs teleskop tog 127 000 bilder av solen och dokumenterade för första gången de så kallade solfläckarna i solens yttre atmosfär, koronan.

Solfläckar är områden där starka magnetiska krafter förhindrar glödhet plasma från solens inre att tränga upp i koronan. Det gör området cirka 1 000 grader kallare och eftersom intensiteten på ljuset beror på temperaturen framstår området som en mörk fläck på solen.

Astronauten Edward Gibson blev på Skylab också den först med att filma när en så kallad koronaögla blev till, där enorma energiurladdningar skjuter ut plasma från solen.

Fenomenet är viktigt att studera eftersom det är relaterat till så kallade koronamassutkastningar, gigantiska utbrott av elektriskt laddade partiklar som kan orsaka nedsmältning av transformatorstationer på jorden och i värsta fall förlama hela planeten med ett globalt strömavbrott.

Rymdvistelse blir permanent

Den fjärde besättningen på Skylab satte också rekord för den längsta vistelsen i rymden när astronauterna vistades i det tyngdlösa laboratoriet i 84 dagar i rad.

Men liksom Saljut lämnade varje team en tom rymdstation innan nästa skickades upp. Det saknades fortfarande en station där forskare kontinuerligt kunde undersöka effekterna av rymdens skoningslösa miljö en längre tid.

1986 dök möjlighet upp när den första modulen skickades upp till den nya ryska rymdstationen Mir. Efter ett par inledande år med kortare vistelser och konstruktion av stationen beboddes Mir av astronauter utan avbrott i 3 644 dagar mellan 1989 och 1999.

Mir blev därmed den första rymdstationen som gav möjlighet att göra kontinuerliga observationer över månader och till och med år. Forskarna kunde nu både blicka ut mot främmande stjärnor och planeter, men framför allt inåt och studera rymdens effekter på rymdstationen och på astronauterna.

Mir blev startskottet för ett långt forskningsprojekt om livet i rymden, som fördes över till Den internationella rymdstationen och som nu har pågått i 20 år.

Strålningen är största utmaningen

Rymdens största hot mot människor är den kosmiska strålningen.

Strålningen består av kringflygande atomer vars elektroner har slitits loss i våldsamma accelerationer under färden genom universum. Utan sina elektroner blir atomerna elektriskt laddade och kan påverkas av magnetfält.

På jorden skyddas människan mot strålningen av planetens magnetfält. Så kallade magnetfältlinjer ligger som ett nät från nord- till sydpolen och sträcker sig tusentals kilometer ut i rymden.

Eftersom partiklarna är elektriskt laddade påverkas de av magnetfältet. Merparten av de laddade partiklarna styrs undan av fältlinjerna så att mängden strålning som når hela vägen ned till oss på jorden är minimal.

Om de energirika partiklarna inte hade hindrats från att nå oss skulle de ha kunnat slå sönder atomerna i celler, vilket kan leda till allvarliga hälsoproblem som exempelvis cancer och nervskador.

När framtidens astronauter ska resa mot Mars måste de uppehålla sig i det farliga bombardemanget i flera månader.

Inför resan behöver forskarna ha massor av data om hur farlig strålningen är för kroppen och testa vilka material som bäst skyddar mot den.

På ISS mäts därför den kosmiska strålningens intensitet. Det sker bland annat med hjälp av en så kallad termoluminescensdosimeter på många ställen på rymdstationen och som innehåller en kristall.

När kristallens atomer träffas av strålning får det elektronerna att tillfälligt hoppa upp i en högre bana längre bort från sina kärnor.

Strax därefter faller de återigen tillbaka till utgångspunkten och avger en ljuspartikel med lika mycket energi som förde dem upp i den högre banan. Genom att mäta ljusets intensitet kan forskarna följa mängden strålning på rymdstationen.

Trots att astronauterna på ISS också skyddas av jordens magnetfält utsätts de för högre strålningsnivåer eftersom atmosfären också tar en liten del av strålningen.

Det gör livet ombord på ISS lite mer riskabelt. Där normalt 20 av 100 personer på jorden riskerar att utveckla livshotande cancer ökar det till 23 av 100 personer bland de som uppehållit sig på ISS.

Fritt fall ger tyngdlös forskning

Tyngdlöshet är den andra av rymdstationens viktigaste forskningsmässiga framsteg. Utan rymdstationer har forskare inte många möjligheter att undersöka hur tyngdlöst tillstånd kan förändra kända processer.

En möjlighet är att chartra ett specialdesignat flygplan som kan göra så kallade parabolflygningar. Planet flyger upp och ned i bågar så att det på toppen av en båge har noll lyftkraft från vingarna, vilket betyder att planet är i fritt fall.

Därmed blir allt ombord tyngdlöst i upp till en halv minut innan planet måste rätas upp igen.

Effekten kan också uppnås genom att man skickar upp raketer fullastade med utrustning för experiment i rymden. Sensorer och kameror samlar in data från det tyngdlösa försöket när raketen faller till jorden igen, men på så sätt kan man max uppnå cirka 13 minuter tyngdlöst tillstånd.

För att studera tyngdlösa fenomen som utspelas under en längre tid måste forskarna göra sina experiment på rymdstationen.

Tyngdlösa vätskor studeras på ISS

Bara 400 kilometer över jordens yta är ISS långtifrån fri från jordens tyngdfält. Att astronauterna ändå kan sväva tyngdlöst beror på att de också faller fritt mot jorden.

ISS rör sig bara i sidled med ungefär samma fart som fallet, och därför kan rymdstationen hela tiden fortsätta falla förbi jorden.

Fallet kan i princip fortsätta i evighet eftersom det liksom för alla satelliter i låg omloppsbana är ganska svagt luftmotstånd från den yttre atmosfären. Därför har stationen motorer som med jämna mellanrum avfyras för att öka farten.

På så sätt har rymdstationen kunnat befinna sig i konstant fritt fall i över 20 år.

Ett viktigt fokusområde inom tyngdlös forskning på ISS är hur vätskor ändrar karaktär i rymden.

Vätskors egenskaper är i hög grad styrda av gravitationens påverkan. Exempelvis kan två vätskor som inte kan blandas, som olja och vatten, lägga sig i skikt på jorden eftersom gravitationen påverkar dem på olika sätt.

Oljans lägre densitet får den att flyta ovanpå vattnet. Men i rymden, där det inte finns något upp eller ned, kommer vätskorna inte på samma sätt dela sig i lager utan blandas som små separata olje- och vattenbubblor om de mixas i en behållare.

Tvärtom har forskare på ISS upptäckt att vätskor som honung och vatten, som normalt löses upp i varandra här på jorden, inte alltid blandas i rymden.

Blandningen av vätskor i rymden – eller bristen på densamma – är enormt viktig kunskap för ingenjörer som ska ta fram bränsletankar och pumpar.

Raketmotorer drivs i regel av två vätskor – ett bränsle och ett oxidationsmedel som måste blandas med bränslet för att det ska brinna.

Dessa vätskor blandas i motorernas bränslekammare och antänds med en precision på en bråkdels sekund. Det kan få katastrofala följder om en av vätskorna plötsligt uppför sig annorlunda.

Ett annat fenomen som försvinner i tyngdlöst tillstånd är så kallad sedimentering. Det är en process där partiklar upplösta i en vätska efter hand kommer att lagras på en barriär.

Eftersom sedimentering är ett resultat av hur gravitationen drar i partiklarna i vätskan kan forskare och ingenjörer utnyttja den tyngdlösa miljön i rymden för att blanda metaller på nya sätt och skapa legeringar som det inte är möjligt att framställa på jorden.

En särskild aluminium/bly-legering som bara kan framställas utan sedimentering kan exempelvis användas i motorer som självsmörjande kullager. Sådana kullager kan minska behovet av underhåll, vilket är viktigt för rovers och robotar som ska klara sig på egen hand, ofta i svåra miljöer på främmande planeter.

Det tredje och sista området man forskar på är vätskorna i astronauternas egna kroppar. När gravitationen försvinner dras kroppsvätskor inte längre nedåt utan flyter runt fritt.

Det leder bland annat till ett ökat tryck på kraniet, vilket i sin tur har lett till att astronauterna på ISS har fått problem med synen. Därför arbetar forskarna på att ta fram nya typer av dräkter som är designade för att pressa vätskor nedåt i kroppen.

ISS är utgångspunkt för Marsresa

Frånvaron av gravitation har oväntat också orsakat rengöringsproblem på ISS.

De små partiklarna i damm hålls ihop i större dammråttor av så kallad statisk friktion. Normalt drar gravitation partiklarna från varandra när de når en viss storlek, men på ISS är den statiska friktionen den största kraften, och dammet förhindras därmed inte från att samlas i stora klumpar.

Dammet svävar i alla riktningar och kan täppa igen luftfilter mycket snabbare än ingenjörerna kunde ha räknat ut när de utformade modulerna för rymdstationen.

På så sätt bidrar astronauternas enkla vardagserfarenheter med viktig kunskap till kommande långa rymdexpeditioner där ett igensatt luftfilter kan vara ödesdigert.

Problemen med damm bleknar dock jämförelse med de svårigheter som bristen på gravitation skapar i förhållande till att upprätthålla enkla kroppsfunktioner.

Tyngdlösheten minskar bland annat spänningar i kroppen, något forskarna nu vet är avgörande för astronauternas riktningssinne, som snabbt försvinner i rymden. För att åtgärda problemet är all skrift på väggarna på ISS vänd åt samma håll.

Bristen på spänningar har också konsekvenser för muskelceller som snabbt förfaller i rymden. Undersökningar har visat att astronauter har förlorat upp till en femtedel av sin totala muskelmassa efter bara elva dagar i rymden.

Det är anledningen till att ingenjörer har utvecklat en särskild motionsmaskin så att astronauterna kan hålla igång sina kroppar. Eftersom vanliga hantlar inte väger något på ISS ger maskinen motstånd och därmed artificiell vikt med hjälp av vakuumcylindrar.

Astronauterna tränar i flera timmar om dagen på rymdstationen för att minimera förlusten av muskelmassa, och liknande maskiner måste vara med på framtida expeditioner till Mars.

En sådan expedition skulle ta minst tio månader, men forskning har visat att det kan kosta upp till 40 procent av muskel­styrkan – även med regelbunden träning längs vägen.

Tyngdlösheten påverkar inte bara sinnen och muskler utan även den viktiga hjärt-funktionen. När människor står upp på jorden ser gravitationen till att dra blodet i kroppen nedåt så att det slutar under hjärtat.

Men på rymdstationen flyter blodet runt i bröstet och upp i huvudet, där det riskerar att bli kvar eftersom inget drar det nedåt. Det kan orsaka yrsel och påverka blodkärlen i hjärnan.

Experiment på ISS har bidragit till en bättre förståelse för varför i synnerhet äldre människor oftare svimmar. Studierna är också viktiga för att utveckla medicin som kan hjälpa till att lindra de potentiellt skadliga effekterna när astronauter färdas länge i rymden i framtiden.

Rymdstationen flyttar till månen

Allt man lärt sig på rymdstationer sedan Saljut skickades upp i omloppsbana runt jorden 1971 ligger till grund för nästa steg i människans utforskning av rymden: en ny rymdstation som ska ligga i en omloppsbana runt vår naturliga satellit – månen.

När ISS enligt planerna går i pension 2028 har rymdfartsorganisationerna bakom ISS redan byggt dess efterföljare, Lunar Orbital Platform-Gateway (LOPG), i omloppsbana 385 500 kilometer bort.

Eftersom alla rymdstationer hittills har legat relativt nära jorden blir den stora forskningsmässiga skillnaden med LOPG att människorna där kommer att sakna jordens skyddande magnetosfär och därmed vara utsatta för den höga stråldosen som finns i yttre rymden.

Därmed blir det för första gången möjligt att simulera livet för astronauter i en miljö som liknar den där de ska leva i framtiden när expeditionerna går allt längre ut i rymden.

Utöver att forska ska astronauterna ombord LOPG också tillbringa sin tid med att styra robotar och rovers på månens yta. På så sätt kan astronauterna bland annat börja utforska månens baksida.

Dessutom ska LOPG också fungera som en form av rastplats för just de långa rymdresorna där astronauter kan tanka bränsle och lasta försörjningar innan färden går vidare exempelvis till Mars.

Uppförandet av den nya rymdstationen LOPG hade aldrig varit möjlig utan all den omfattande kunskap om tyngdlöst tillstånd och de kosmiska observationer som forskningen på rymdstationer har givit oss.

Med en ny månstation får forskare och ingenjörer en ny ovärderlig plats för ett avstamp ut i rymden, varifrån de kan fortsätta utveckla material, bränslen och medicin som ska hjälpa människan att resa längre ut i den yttre rymden.