Fotograferen, gamen en zalm eten

Onderzoek doen is de hoofdtaak van astronauten. André Kuipers is getraind voor 55 experimenten. Een selectie.

Onderzoek Energy

Doel calorieënopname in ruimte onderzoeken

Bijzonder cheesecake van sterrenkok Alain Ducasse

‘Over dit onderzoek is André heel enthousiast, maar dat heeft misschien ook te maken met het voedsel”, zegt Hilde Stenuit, wetenschappelijk begeleider van het ISS-onderzoek namens de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Het eten voor ‘dag nul’ van het energieopname- experiment Energy was namelijk bereid door de Monegaskische topkok Alain Ducasse.

Misschien een beetje een pr-stunt voor beide partijen, maar lekker bleken de zalm en de cheesecake in ieder geval wel, en bovendien was heel precies bekend hoeveel calorieën erin zat. „Kuipers moest die dag zijn bordje leegeten”, lacht Stenuit.

Op deze dag nul moest Kuipers zo weinig mogelijk uitvoeren. Op zijn blog meldt hij dat hij Star Trek en Blade Runner heeft gekeken.

Ook de tien dagen daarna waren gebonden aan een gedetailleerd onderzoeksprotocol. Stenuit laat het strakke schema zien van metingen en het nemen van monsters. Kuipers blogt: „Ik moet ruimtevoedsel eten uit een speciaal pakket en alles registreren met streepjescodes en formulieren, zodat de wetenschappers precies weten wat ik heb gegeten. Een heel gedoe.”

Met een longfunctiemeter, een soort masker dat meet hoeveel zuurstof je verbruikt, werd vóór en na de maaltijden vastgesteld hoeveel energie de astronaut verbrandde. „Dat geeft ons informatie over het energieverbruik in complete rust, en ook het extra energieverbruik na een maaltijd, doordat je dan meer verbrandt.” Ondertussen mat een armband met een bewegingssensor zijn activiteitsniveau.

Om Kuipers’ waterverbruik te meten, dronk hij bovendien op dag nul water gelabeld met deuterium, een traceerbare variant van waterstof. Urinemonsters toonden de onderzoekers vervolgens hoeveel water zijn lichaam verbruikte.

Ook Kuipers’ Amerikaanse collega Don Pettit, de controlepersoon, moest plassen voor de wetenschap. In zijn urine bleek het geoormerkte water van Kuipers te zitten. Dat was via zijn adem, zweet, het toilet en het waterrecyclingsysteem van het ISS in het lichaam van zijn collega terechtgekomen.

Het hele onderzoeksprotocol doorloopt Kuipers ook op aarde. Een van de doelen is om uit te zoeken waarom de meeste astronauten afvallen tijdens hun gewichtloosheid. „Ongelukkigerwijs is de reden voor de gewichtsafname niet duidelijk”, stelt onderzoeker Stéphane Blanc van het onderzoeksinstituut CNRS in Straatsburg.

De vraag is niet alleen van academisch belang. Mochten we ooit naar Mars willen reizen, dan is het wel handig om te weten hoeveel eten er mee moet. Iedere kilo telt, maar te weinig meenemen, is ook weer een probleem. Kuipers: „Met dit experiment kan ik dus een bijdrage leveren aan de toekomstige Marsreizen. Dat is wel een leuke gedachte.”

Onderzoek Geoflow2

Doel berekenen hoe vloeistof onder de aardmantel stroomt

Bijzonder experiment met mini-aarde ter grootte van een sinaasappel

Onder onze voeten borrelt traag het gesteente. Diep onder in de mantel, het gedeelte onder de korst waarop wij leven, is het taaistromende gesteente heter en lichter dan bovenin, en daardoor ontstaan hier en daar trage opwellingen, mantelpluimen genoemd. Aan het oppervlak kunnen die vulkanisme veroorzaken, zoals bijvoorbeeld op Hawaii.

Wat heeft dat met een ruimtestation te maken? In het Duitse experiment Geoflow2 gebeurt iets vergelijkbaars, maar dan op de schaal van een sinaasappel. Geoflow2 bestaat uit twee concentrische glazen bollen, met daartussen een stroperige olie, nonanol.

De vloeistof heeft in het ruimtestation geen last van de echte zwaartekracht, en om de zwaartekracht van de aarde te simuleren, wordt er een elektrische spanning van zesduizend volt tussen beide bollen aangelegd (hoger mag niet volgens de veiligheidsregels van het ISS). Die trekt de olie naar het centrum van de bollen. Een temperatuurverschil tussen beide bollen maakt de nonanol bovendien aan de buitenkant iets stroperiger, net zoals vloeibaar gesteente vlak onder de korst iets taaier is. En dan kan het borrelen beginnen.

„In de aarde zijn de stromingen natuurlijk oneindig veel complexer”, zegt Florian Zaussinger van de Brandenburgische Technische Universität in het Duitse Cottbus. Zijn onderzoeksgroep bestiert het experiment, veilig weggestopt achter een paneel van het Fluid Science Laboratory in de Columbus-module.

„De astronauten hoeven eigenlijk helemaal niets te doen”, zegt Zaussinger trots, „wij geven hier alle commando’s, en de meetgegevens komen automatisch op een website terecht.”

Een voorganger van Kuipers heeft het experiment aangesloten – kwestie van een paar stekkers inpluggen – en waarschijnlijk wordt Kuipers’ belangrijkste taak het afsluiten van Geoflow2.

Zaussinger: „En verder moeten ze er zo veel mogelijk afblijven.” Wel hebben de onderzoekers de astronauten aan het begin van de proefnemingen gevraagd om tegen het voorpaneel te kloppen, zodat ze later eventuele verstoringen door lompe astronauten konden herkennen. „Maar die zijn tot nog toe niet voorgekomen.” En mocht er iets stuk gaan, kan de bemanning van het ISS weinig uithalen – tenzij het om iets simpels als een losse stekker gaat.

Maar ook zonder astronautenhulp verliep Geoflow (versie 1 ging hieraan vooraf) tot nog toe zonder haperingen. Zaussinger: „We hebben al honderden metingenreeksen opgenomen, en waarschijnlijk is er ruimte voor meer metingen dan op het programma stonden.”

Het berekenen van complexe vloeistofstromingen, beschreven door de beruchte Navier-Stokesvergelijking, is een flinke uitdaging, ook voor de allerzwaarste computers. Vandaar dat het handig kan zijn om daar af en toe resultaten van echte experimenten naast te leggen. „Tot nog toe blijft de code redelijk overeind”, zegt Zaussinger.

Zijn vakgroep is er dan ook een van computerwetenschappers, niet van geologen, en het verhaal over de aardmantel is, geeft hij toe, eigenlijk ook een beetje ‘bij wijze van spreken’. „Met Geoflow2 komen we maar op tien procent van de zwaartekracht, en het Reynolds-getal, een maat voor de turbulentie, is nog veel lager. We publiceren wel in geologietijdschriften, maar het gaat ons vooral om de rekenmethoden.”

Onderzoek Altea Shield

Doel straling in de ruimte meten

Bijzonder in het ISS moeten astronauten af en toe schuilen voor de zon

Aanvankelijk dachten in de jaren zestig de Amerikaanse Gemini-astronauten dat ze zich vergisten. In het donker van hun ruimteschip, soms zelfs met hun ogen dicht, zagen ze felle lichtflitsen. Was de ruimte dan toch gekmakend?

Het raadsel werd al snel opgelost. De astronauten, en hun netvlies, worden doorzeefd door razendsnelle deeltjes, afkomstig van de zon, van supernova’s en andere processen in het diepe heelal, en uit de stralingsgordels: reservoirs van deeltjes ingevangen door het magnetisch veld van de aarde.

Op aarde worden de meest energetische kosmische deeltjes weggefilterd door de atmosfeer, maar in een ruimteschip (en trouwens ook in een vliegtuig) is de stralingsdosis meetbaar hoger. De lichtflitsen worden overigens alleen door de meest energetische deeltjes veroorzaakt.

Straling kan stralingsziekte en op den duur kanker veroorzaken, en tijdens heftige uitbarstingen op de zon moeten astronauten zelfs even schuilen in een afgeschermd compartiment van het ISS. Maar in het algemeen lijkt het risico beperkt, al zou dat wel eens kunnen veranderen als we ooit naar Mars reizen.

„Altea is een set van zes detectoren die de straling meten op verschillende plaatsen in het ruimtestation”, zegt Hilde Stenuit van ESA. Vóór Kuipers’ komst hebben de detectoren steeds twintig dagen lang gemeten wat voor deeltjes er langskomen.

De nulmeting was dus rond, en met de komst van het Europese ruimtevrachtschip ATV-3, in maart, kon Kuipers deel twee van het experiment inzetten: de detectoren werden afgeschermd met beschermingsmateriaal van verschillende diktes, die de straling moet tegenhouden. De materialen, op grond van aardse proeven geselecteerd door de onderzoekers van de Romeinse universiteit Tor Vergata, zijn de plastics polyethyleen en kevlar. Stenuit: „Een dikke plaat lood of een zwembad vol water houden de straling beter tegen, maar dat is natuurlijk te zwaar.”

Eigenlijk hebben de astronauten niet veel werk aan Altea-Shield: het blijft bij het rondzeulen van de detectoren (wat nog meevalt in gewichtloosheid), en het plaatsen van de beschermtegels.

Stenuit: „Naderhand sturen ze een foto, om te kijken of alles goed geïnstalleerd is. Terecht overigens: het is al eens voorgekomen dat er toch twee detectoren omgewisseld waren.”

Onderzoek Neurospat

Doel de hersenen bij gewichtloosheid bestuderen

Bijzonder Kuipers moet videogames spelen

‘Dat Kuipers kaal is, is in dit geval een voordeel”, zegt ESA’s Hilde Stenuit. Voor het experiment Neurospat moet de astronaut een blauwe muts met elektroden op, voor opnames van elektrische spanningen in zijn hersenen. Stenuit: „Voor een goede elektrische geleiding heb je een speciale gel nodig, en die blijft meestal nogal in je haar plakken. En je haren wassen is nog niet zo eenvoudig daarboven.”

Eenmaal voorzien van de muts moet Kuipers een soort videogames doen. „In gewichtloosheid verandert de werking van je hersenen, vooral de gebieden die zich met ruimtelijke oriëntatie bezighouden, moeten behoorlijk omschakelen”, zegt Guy Cheron van de Brusselse Université Libre, de onderzoeker die dit experiment leidt.

Ook Kuipers en zijn brein hebben een paar dagen dagen moeten wennen aan de nieuwe omstandigheden, een paar dagen is hij ruimteziek geweest, zegt Stenuit, maar nu heeft hij wel lol in de experimenten, hij speelt bijvoorbeeld een eenvoudige videogame waarin hij een ruimteschip moet binnenloodsen en aankoppelen.

Op foto’s zie je hem met zijn blauwe muts vol elektroden in een koker turen, met een grijns op zijn gezicht. Om wegzweven te voorkomen is hij aan een soort leiband gelegd, die de sensatie van vrij rondzweven niet mag verstoren.

Een ander deelexperiment gaat over de mentale belasting van gewichtloosheid. Het prefrontale gedeelte van de hersenen, betrokken bij het nemen van beslissingen en de organisatie van gedrag, is gevoelig voor vermoeidheid, stress en zuurstoftekort. En vermoedelijk ook voor gewichtloosheid.

„Je voortdurend oriënteren is een actieve taak die behoorlijk kan afleiden”, zegt Cheron. Het is bekend dat de intelligente, zwaar getrainde astronauten, zeker tijdens het begin van hun verblijf, vaak elementaire fouten maken, een verschijnsel dat space madness wordt genoemd. Om de hersenen onder die omstandigheden te bestuderen, moet Kuipers ook taken uitvoeren waarbij het vermogen beslissingen te nemen, alertheid en geheugen getest worden.

Onderzoek Night-Pod

Doel foto’s van de aarde maken

Bijzonder lange belichtingstijd mogelijk

Om het een wetenschappelijk experiment te noemen, is wat overdreven. Maar een handige vinding is de Night-Pod wel: een statief waarop de camera automatisch meedraait met de aarde, gemaakt door het Leidse bedrijf Cosine.

Zo worden lange belichtingstijden mogelijk vanuit het observatievenster Cupola, en dat levert mooie foto’s op van de nachtzijde van de aarde. „André en Don Pettit spelen er graag mee in hun vrije tijd”, zegt Stenuit.

Op internet groeien de nachtplaatjes nogal eens uit tot hits, met hun helverlichte steden, parelsnoeren van snelwegen en een enkel schip op zee, tegen de donkere contouren van de landen die je nog net kunt herkennen.

Onderzoek Convectie

Doel scholieren onderwijzen

Honderden scholieren deden het proefje samen met Kuipers, die hun via een videoverbinding instructies gaf. Vloeistof in een vierkant circuitje van doorzichtige buizen gaat stromen als je met je hand een van de zijden opwarmt. Convectie heet dat: warme vloeistof zet uit, wordt lichter, en stijgt op. Net als warme lucht, wolken en zelfs vloeibaar gesteente binnenin de aarde dat doen.

Maar aan boord van het ISS werkt het niet, liet Kuipers met zijn eigen vloeistofvierkantje zien aan de scholieren.

„Daar ging het niet ronddraaien, omdat daar geen zwaartekracht was”, beschreef scholiere Renate de Vries de uitkomst voor Kuipers’ onderwijswebsite Ruimteschipaarde.nl.

    • Bruno van Wayenburg