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E-Nose - Elektronische Spürnase auf der Raumstation

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  • E%2dNose: elektronisches Gassensorsystem zur Online%2dDetektion mikrobieller Belastung

    E-Nose: elektronisches Gassensorsystem zur Online-Detektion mikrobieller Belastung

    Bei der E-Nose handelt es sich um ein elektronisches Gassensorsystem zur Online-Detektion mikrobieller Belastung. Realisiert wurde es unter maßgeblicher Beteiligung der Qualitäts- und Produktsicherung des DLR. Ab Januar 2013 wird diese elektronische Nase im Russischen Segment der Internationalen Raumstation ISS zum Einsatz kommen.

  • E-Nose und Target-Book

    Mit der E-Nose können nun Astronauten an verschiedenen Stellen im Servicemodul der ISS die mikrobielle Belastung messen. Zusätzlich wurde ein sogenanntes Target-Book auf der Raumstation installiert. Dort sind verschiedene Materialproben wie Aluminium, der polymere Kunststoff Nomex, Platinenmaterial und Kabelmarkierung aufgetragen. Auf diesen Materialien sollen biologische Kulturen siedeln, die dann in einem Rhythmus von zwei Monaten durch die ISS-Besatzung vermessen werden.

  • Mikrobielle Verunreinigung auf der Raumstation

    Bisher konnten bis zu 300 verschiedene Organismen auf der ISS bestimmt werden. Die E-Nose ermittelt nun elektronisch die mikrobielle Belastung auf der Raumstation über ein Gassensorsystem. Im Rahmen eines deutsch-russischen Experimentes spürt sie von jetzt an im russischen Segment der ISS Pilze und Bakterien auf.

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Die mikrobielle Verunreinigung durch Pilze, Keime und Sporen sind für Crew und Hardware im Weltall eine große Gefahr. Auf der Internationalen Raumstation oder auf Langzeitmissionen werden die winzigen Lebewesen zu einem großen, sicherheitsrelevanten Problem. Die meisten Allergene werden über die Atemluft aufgenommen, welche zu Krankheitssymptomen wie Kopfschmerzen, Konzentrationsprobleme, tränende Augen, Lethargie, Entzündungen der Schleimhäute von Nase, Mund und Hals, Hautjucken sowie Ekzeme als Folgeescheinungen führen können. Ein weiteres Problem ist die Einfuhr von Mikroorganismen von der Raumstation zurück zu unserem Heimatplaneten: Mikroorganismen, die sich auf ISS-Hardware angesiedelt haben, werden zurück zur Erde gebracht. Diese Passagiere können unter den besonderen Bedingungen des Weltalls wie Weltraumstrahlung mutiert sein - also ihr Erbgut dauerhaft verändert haben. Die Überwachung der Umgebungsbedingungen auf der ISS ist somit ein wichtiger Schritt und gleichzeitig eine große Herausforderung. Sie  stellt hohe Ansprüche an die Messverfahren und ist technisch wie auch zeitlich sehr aufwendig. Hier soll die elektronische Spürnase "E-Nose" einen wichtigen Beitrag leisten, die Kontamination rechtzeitig zu detektieren. Das Moskauer Institut für Biomedizinische Probleme (IBMP) konnte bisher bis zu 300 verschiedene Organismen über die aufwändige Wischmethode auf der russischen MIR-Station und der ISS bestimmen. Im Rahmen eines deutschrussischen Experimentes soll die E-Nose seit Anfang 2012 im russischen Segment der ISS Pilze und Bakterien aufspüren.

Experimentbeschreibung:

Im Rahmen des Experimentes wurde mit der E-Nose an verschiedenen Stellen im Servicemodul der ISS die mikrobielle Belastung gemessen. Zusätzlich wurde ein sogenanntes Target-Book installiert. Dort sind verschiedene Materialproben wie Aluminium, der polymere Kunststoff Nomex, Platinen Material und Kabelmarkierung aufgetragen. Auf diesen Materialien sollten sich biologische Kulturen ansiedeln, die dann in einem Rhythmus von zwei Monaten vermessen wurden. Das Target-Book wurde nach der Experimentphase wieder zurück zur Erde gebracht und beim IBMP und Innovation Works (IW) in München ausgewertet. Die Daten zeigten, welche mikrobiellen Kulturen gezielt bestimmte Materialien "befallen" und wie schnell sie sich auf diesen vermehren. Zur Verifizierung der Ergebnisse wurden diese Werte mit den Messergebnissen des klassischen russischen Messverfahrens - der sogenannten Wischprobe - verglichen.

Zehn unterschiedlich halbleitende Metalloxid-Sensoren spüren zuverlässig ein breites Spektrum an mikrobiellen Verunreinigungen auf. Dieses Messsystem nimmt dabei ein spezifisches Geruchsbild auf, indem es sich die oxidierende Eigenschaft der von den biologischen Kulturen freigesetzten Gasmoleküle (Microbial Volatile Organic Compounds - MVOC) zunutze macht. Diese MVOCs werden durch den Stoffwechsel der Kulturen gebildet und sind spezifisch für ihre Art. Jede Kultur regt also mit dem Freisetzen ihrer spezifischen Gasmoleküle die zehn verschiedenen Sensortypen unterschiedlich stark an. So lässt sich über ein Geruchstraining rasch ein olfaktorischer Fingerabdruck erstellen. Gasgemische werden an Hand ihres Musters nach nur einem Trainingsschritt wiedererkannt. Bei Datenverbindung zur Bodenstation oder direkt zu einem Bordrechner können die Zellkulturen und somit auch die Situation auf der Raumstation zeitnah analysiert werden. Im Gegensatz zu den klassischen Methoden der Probennahme (Wischprobe) mit anschließender Zucht in einem Brutschrank, die in der ISS nur mit Expertenwissen und zeitaufwendig durchzuführen ist, ermöglicht die E-Nose über eine Datenverbindung zur Bodenstation eine zeitnahe Analyse der Situation.

Status:

Die E-Nose wurde unter Laborbedingungen und im europäisch-russischen Isolationsexperiment Mars500 getestet. Nachdem die Einsatztauglichkeit auf der Erde bereits nachgewiesen wurde, startete die elektronische Spürnase am 19. Dezember 2012 mit einer russischen Sojus-Rakete zur Raumstation. Die Messungen wurden bis Mai 2013 an verschiedenen Stellen im russischen Service Modul der ISS (Arbeitsbereich, Schlafbereich und Toilette) durchgeführt. Im Anschluss wurden die Messdaten von deutschen und russischen Experten gemeinsam ausgewertet.

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

In der Experimentphase soll die E-Nose ihre Einsatztauglichkeit unter Beweis stellen und ihre Messverfahren für den dauerhaften Einsatz auf der Internationalen Raumstation sowie für den Einsatz im Rahmen von Langzeitmissionen qualifizieren. Nachdem die E-Nose in einer ersten Experimentphase seine Einsatztauglichkeit erfolgreich gezeigt hat, wird zurzeit gemeinsam mit dem IBMP und Airbus an der Weiterführung des Experimentes gearbeitet (Messungen unzugänglichen Stelle mit einem Lance-Sampler). Darüber hinaus ist ein neues Experiment in Vorbereitung. Gemeinsam mit Wissenschaftlern vom Klinikum der Universität München soll die E-Nose im Bereich der Atemgasanalyse zum Einsatz kommen. Ziel ist es, Bio-Marker für zum Beispiel Stress oder Erkrankungen in der Atemluft zu "erschnüffeln".

Partner:

Das vom DLR geförderte Vorhaben ist ein gemeinschaftliches Projekt welches von Airbus geführt wird. Wissenschaftlicher Partner ist das in Moskau ansässige Institut. Der Hersteller der elektronischen Nase ist die Firma AirSense Analytics aus Schwerin. Die wissenschaftlich-biologischen Themen werden von der Firma Innovation Works aus München bearbeitet.

Start: 19. Dezember 2012 / Sojus TMA-07M
ISS-Zeitraum Februar 2013 bis 2014
Unterbringung Swesda-Modul
Experimentator Joachim Lenic
Einrichtung DLR Raumfahrtmanagement
Bereich Sensorenentwicklung für Gasanalyse unter extremen Bedingungen
Partner DLR, IBMP Moskau
Deutsche Industrie Hardware: Airbus Defence & Space, Friedrichshafen; AirSense Analytics, Schwerin; Wissenschaft: Innovation Works, München; Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien, Bremen

 

Zuletzt geändert am:
02.06.2014 10:58:18 Uhr