ISS: Expedition 4

Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf der Edwards AFB.

Nach zweitägigem Alleinflug erfolgte am 07. Dezember 2001 die Ankopplung an die Raumstation ISS. Es folgte die Ablösung der bisherigen ISS-Besatzung. Eine große Anzahl verschiedener wissenschaftlicher Experimente wurde bei STS-108 mit dem italienischen Mehrzweckmodul Raffaello angeliefert.

Insgesamt 27 wissenschaftliche Experimente, u.a. zum Zellwachstum wurden durchgeführt.

Der erste Weltraumspaziergang wurde durch Juri Onufrijenko und Carl Walz am 14. Januar 2002 (6h 3m) unternommen, um einen "Strela" Transportkran zu versetzen und um eine Amateurfunk-Antenne zu installieren.

Ein zweiter Weltraumspaziergang durch Juri Onufrijenko und Daniel Bursch folgte am 25. Januar 2002 (5h 59m), um sechs Korrekturtriebwerks-Deflektoren am Swesda Service Modul zu installieren, zum Ersetzen eines Gerätes zur Messung von Material an den Korrekturtriebwerken und zur Installation einer Antenne mit ihrer Verkabelung.

Der dritte und letzte Weltraumspaziergang erfolgte durch Carl Walz und Daniel Bursch am 20. Februar 2002 (5h 47m) zur Ausführung allgemeiner Arbeiten an der Raumstation und Einbringen von Werkzeugen zur Vorbereitung der nächsten Aufbau-Mission, die die zentrale Sektion zur ISS bringen soll.

Am 20. April 2002 verlegte Juri Onufrijenko die "Rettungskapsel" Sojus TM-33 vom Modul Sarja zum Pirs Docking Modul (21m).

Mit dem Cellular Biotechnology Operations Support System (CBOSS) wurde das Wachstum von Blut-, Nieren- und Mandelzellen über 12 Tage untersucht. Dazu hatten die Astronauten zunächst vorbereitete Zellen in 32 Probenbehälter mit Nährlösung zu injizieren. Anschließend wurden diese in einem Inkubator verstaut. An den folgenden Tagen wurden einige Proben in verschiedenen Stadien ihres Wachstums eingefroren. In der Schwerelosigkeit wächst Zellgewebe dreidimensional. Dadurch kann man es zu funktionierenden Organteilen heranziehen. Auf der Erde hingegen ist ein dreidimensionales Wachstum bisher nur mit Stützstrukturen aus Fremdgewebe zu erreichen. Mit CBOSS wurden im weiteren Verlauf verschiedene, vor allem Krebs-Gewebe gezüchtet (u. a. Nieren-, Dickdarm- und Eierstockgewebe). Nach der Rückkehr auf die Erde wurden diese Gewebeteile dann genau untersucht. Ende Dezember wurden auch erste Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung vorgenommen. Im Rahmen des Experiments Extra Vehicular Activity Radiation Monitoring (EVARM) wurde erstmals eine genaue Bestimmung der Strahlendosis verschiedener Organe (Augen, innere Organe, Haut), die während eines Ausstiegs auf einen Raumfahrer wirkt, vorgenommen. Ein weiteres medizinisches Experiment war die Untersuchung des Risikos zur Bildung von Nierensteinen während längerer Raumflüge (Renal Stone Risk). Dazu wurden von einem Raumfahrer Urinproben gesammelt, während er sich an eine spezielle Diät hält. Dadurch lassen sich Auswirkungen bestimmter Nahrungsinhaltsstoffe auf den Stoffwechsel analysieren.

Fortgesetzt wurden physikalische Experimente zur Schwingungsdämpfung (ARIS-ICE) und zum Verhalten von Partikel-Flüssigkeitsgemischen (Experiment on Physics of Colloids in Space) in der Schwerelosigkeit. ARIS ist eine kleine Plattform innerhalb eines Racks. Auf der Plattform befinden sich Systeme, mit denen Schwingungen gedämpft werden, die durch die Bewegung der Raumfahrer in der Station sowie durch Steuer- oder Andockmanöver verursacht werden. Mit einer neuen Software wurde der operationelle Einsatz des Systems vorbereitet. Bei den Colloiden ging man vom Partikelgemisch AB-6 zu einem Gel über, das zu 99,992% aus Wasser und nur zu 0,008% aus Partikeln besteht. Damit wurde die Bildung selbstähnlicher Strukturen (Fraktale) untersucht. Dazu wurde das Gemisch zunächst verflüssigt. Beim Erstarren bildeten die Partikel Strukturen, die dann in stroboskopischem Laserlicht erkennbar wurden. Die Experimente liefen selbständig ab, wurden von einer Bodenstation aus überwacht und dauerten mehrere Wochen an. Von Interesse war dabei auch, wie sich das Verhalten der Kolloide innerhalb dieser Zeit veränderte (Alterung des Gels).

Im Mittelpunkt der experimentellen Arbeit standen Erderkundung, medizinisch-biologische und physikalische Experimente. Beobachtungsobjekte im Rahmen der Crew Earth Observation waren u.a. Trockengebiete in der Kongo-Simbabwe-Region, Korallenriffe und Atolle des Tuamotu-Archipels (Südpazifik) und in Malaysia, der tropische Zyklon "Francesca", Gletscher in Patagonien, die Großstadt Mumbay, das Mekongdelta, Feuergebiete und Staubstürme in der Sahel-Zone, Smog über dem Mittelmeer, der Fuego-Vulkan in Guatemala und Packeis im St.-Lawrence-Strom. Im Servicemodul Swesda war für mehrere Tage das System EarthKAM montiert. Mit diesem können Schüler weltweit Aufnahmen ausgewählter Gebiete der Erdoberfläche anfertigen. Bei der Aufnahmeserie im Februar, an der auch eine deutsche Schule beteiligt war, kam erstmals ein 180-mm-Objektiv zum Einsatz, wodurch detailliertere Aufnahmen möglich wurden. Mit Hilfe medizinischer Instrumente in der Human Research Facility (HRF) und spezieller Trainingsgeräte wurden Lungenfunktions- und Fitnesstests vorgenommen. Außerdem wurde das abbildende Ultraschallgerät getestet. Im Mini-Gewächshaus Advanced Astroculture (ADVASC) wurde zum zweiten Mal Arabidopsis thaliana ausgesät. Der Samen wurde bereits im Weltraum gewonnen. Somit gediehen die Pflanzen, die zur gleichen Familie wie Kohl und Rettich gehören, bereits in zweiter Generation in der Schwerelosigkeit. Fortgeführt wurden das Experiment zur Physik von Colloiden im Weltraum zur Untersuchung fraktaler Strukturen und das Züchten von Proteinkristallen für kommerzielle Auftraggeber (Protein Crystal Growth - Single Thermal Enclosure System, PCG-STES). Außerdem wurde ein Schmelzofen zur Bildung reiner, großer und stabiler Zeolitkristalle getestet. Zeolite sind wabenartige Kristalle, die Flüssigkeiten und Gase über längere Zeit speichern können. Sie kommen bisher vor allem in der Petrolchemie und in der Elektronik zum Einsatz.

In den folgenden Wochen standen weitere wissenschaftliche Experimente und turnusmäßige Wartungsarbeiten auf dem Programm. Neue Experimente behandelten u. a. die Aufzucht von Weizen und Rübsen (Brassica rapa) unter definierten Bedingungen, wobei der Ablauf der Photosynthese bzw. des gesamten Pflanzenstoffwechsels untersucht wurde (Photosynthesis Experiment and System Testing Operation im Biomass Production System), die Messung der Strahlenbelastung innerhalb der Station (BraDoz), die Erstellung eines biochemischen Profils eines Besatzungsmitgliedes (BioTest), die Erprobung von Medikamenten gegen die Degeneration der Skelettmuskulatur (Profilaktika), die Herstellung verschiedener Proteinkristalle (Commercial Protein Crystal Growth, KAF, Vakzina K), die Isolation von Glykoproteiden (Glikoproteid) und Antikörpern (Mimetik K), Untersuchungen an wabenförmigen Zeolitkristallen (Zeolite Crystal Growth Furnace - ZCG) und die Herstellung von Antibiotika (Commercial Generic Bioprocessing Apparatus - CGBA). Fortgeführt wurden u. a. Experimente zur Messung der Mikrogravitation an Bord der Station (MAMS und SAMS), zur Beständigkeit von Materialien im freien Weltraum (MISSE), zur Produktion von Proteinkristallen (DCPCG), zur Erdbeobachtung (CEO, Uragan und EarthKAM), zur Interaktion mit der Bodenstation (Crew Interactions), zum Knochenverlust (Bone Loss), zur Langzeitwirkung von Pharmaka in der Schwerelosigkeit (Farma), zum Blutfluss im Körper insbesondere bei der Rückanpassung an die Schwerkraft (Xenon 1), zu Herzaktivität und Blutzirkulation (Kardio-ODNT) sowie zum erhöhten Nierensteinrisiko (Renal Stone Experiment).

Im Rahmen des Photosynthese-Experiments PESTO wurden in insgesamt 4 Kammern ein schnell wachsender Weizen sowie die rapsähnliche Pflanze Brassica rapa angebaut. Beim Weizen ging es vor allem um die Untersuchung des Stoffwechsels und Veränderungen im Wachstum bei Pflanzen, deren Samen bereits in der Schwerelosigkeit entstanden war. Es wurden also mehrere aufeinander folgende Wachstumszyklen durchlaufen. Mit dem Anbau der relativ unempfindlichen Rübsen (Brassica rapa) wurde dagegen vor allem die Effektivität des "Gewächshauses" untersucht. Nach Ausfall der Feuchtigkeitsregelung in einer Weizenkammer wurden die Rübsen in diese Kammer verlegt, was kaum Einfluss auf deren Wachstum hatte. Die Raumfahrer mussten vor allem bei der Aussaat, der Kontrolle der Umweltbedingungen (Wasser, Nährstoffe, Licht, Wärme), der Entnahme von Wasser- und Luftproben, der Bestäubung der blühenden Pflanzen sowie bei der Ernte selbst Hand anlegen. Das Biomass Production System wird als Vorläufer eines ständig im Einsatz befindlichen Gewächshauses angesehen.

Das Wachstum von Zeolitkristallen wurde in einem speziellen Schmelzofen vorgenommen. Dieser war auf der Schwingungsdämpfungsplattform ARIS montiert. Bei einem 14-tägigen Testlauf wurde prinzipiell das Funktionieren des Gesamtsystems nachgewiesen. Zeolite sind wabenartige Kristalle, in deren Innerem Flüssigkeiten oder Gase festgehalten werden können. Diese geben die Zeolite bei Erwärmung oder Drucksenkung schrittweise wieder ab. Zeolite besitzen beispielsweise in der Petrolchemie eine große Bedeutung.

Mehrfach wurde auch mit dem Extra Vehicular Activity Radiation Monitoring Experiment (EVARM) gearbeitet. Nicht nur die Raumfahrer der Stammbesatzung trugen spezielle Dosimeter in ihrer Bekleidung im Verlaufe von Außenbordarbeiten. Vor und nach den Ausstiegen wurden die Dosimeterwerte abgelesen, so dass sich die Strahlenbelastung genau bestimmen lässt. Die einzelnen Messgeräte werden an verschiedenen Stellen des Körpers getragen, so dass sich die Belastung einzelner Körperteile abschätzen lässt.

Während ihres Aufenthaltes an Bord der ISS führte die Crew der Expedition 4 folgende wissenschaftlichen Experimente durch (vollständige Auflistung):
ADF-Otolith (Avian Development Facility - Development and Function of the Avian Otolith System in Normal Altered Gravity Environments),
ADF-Skeletal (Avian Development Facility - Skeletal Development in Embryonic Quail),
ADVASC (Advanced Astroculture),
Alteino (Space Radiation Effects on the Central Nervous System),
ARIS-ICE (Active Rack Isolation System - ISS Characterization Experiment),
ARISS (Amateur Radio on the International Space Station),
Biotest (Biochemical Status of Humans in Long Duration Space Flight),
BPS (Biomass Production System),
Brados (Acquisition of Data About the Radiological, Electromagnetic and Different Physical Environments on Board ISS, and Their Effects on the Safety of the Crew, Space Equipment and Materials),
Cardio-ODNT (Dynamics of the Main Factors of Cardiac Function, of Central and Regional Circulation in Rest and During the Influence of Lower Body Negative Pressure),
CBOSS-01-02-Renal (Cellular Biotechnology Operations Support Systems: Human Renal Cortical Cell Differentiation and Hormone Production),
CBOSS-02-Erythropoietin (Cellular Biotechnology Operations Support Systems: Production of Recombinant Human Erythropoietin by Mammalian Cells),
CBOSS-02-HLT (Cellular Biotechnology Operations Support Systems: The Effect of Microgravity on the Immune Function of Human Lymphoid Tissue),
CBTM (Commercial Biomedical Testing Module: Effects of Osteoprotegerin on Bone Maintenance in Microgravity),
CCE (Cardiovascular Responses During Rest and Exercise, and Evaluation of Energy Inputs During Exercise),
CEO (Crew Earth Observations),
CGBA-APS (Commercial Generic Bioprocessing Apparatus - Antibiotic Production in Space),
Chromosome-1 (Chromosomal Aberrations in Blood Lymphocytes of Astronauts-1),
Clinical Nutrition Assessment (Clinical Nutrition Assessment of ISS Astronauts, SMO-016E),
CPCG-H (Commercial Protein Crystal Growth - High Density),
Diatomeya (Stability of Geographical Position and Configuration of Borders of Bioproductive Water Zones of the World Oceans, Observations by Orbition Station Crews),
Diurez (Fluid and Electrolyte Metabolism and Hormonal Regulaltion of Fluid Volume),
EarthKAM (Earth Knowledge Acquired by Middle School Students),
Education-SA (Education - South Africa: Demonstration of Mass and Weight of Objects, and Action of Reactive Forces in Microgravity),
Environmental_Monitoring (Environmental Monitoring of the International Space Station),
EPO (Education Payload Operations),
ESA-GCF (European Space Agency - Granada Crystallisation Facility),
ESCD (Study of Embryonic and Stem Cell Development in Microgravity),
EVARM (A Study of Radiation Doses Experienced by Astronauts in EVA),
EXPPCS (EXPRESS Physics of Colloids in Space),
Farma (Characteristics of Pharmacological Responses (absorption, distribution and elimination of acetominophene) in Long Duration Space Flight),
H-Reflex (Effects of Altered Gravity on Spinal Cord Excitability),
Identifikatsia (Identification of the Sources of Dynamic Loads on ISS),
Inflight_Education_Downlinks (International Space Station Inflight Education Downlinks),
Interactions (Crewmember and Crew-Ground Interaction During International Space Station Missions),
Iskazheniye (Determination and Analysis of Magnetic Interference on ISS),
ISS Acoustics (International Space Station Acoustic Measurement Program),
Izgib (Effect of Performance of Flight and Science Activities on the Function of On-Orbit Systems on ISS (Mathematical Model)),
Kolibry (Developmental Testing of the Kolibry Microsatellite Deployment Profile),
Konstructor (Filming of Space Robot "Jitter" Assembled out of Legos),
Kromka (Verification of the Effectiveness of Devices for the Protection of the Exterior Surface of ISS from Contaminants Deposited by Pulsed Cycling of Liquid-Jet),
Latent Virus (Incidence of Latent Virus Shedding During Space Flight),
Meteoroid (Recording Meteoroidal and Technogenic Particles on the External Surface of the Service Module of the Russian Segment of ISS),
MISSE-1 and 2 (Materials International Space Station Experiment - 1 and 2),
Molniya-SM (Investigation of Lightning Discharges in the Earth's Atmosphere and Lower Ionosphere),
Paradont (Condition of Peridontal Tissues in Space Flight),
PCG-EGN (Protein Crystal Growth-Enhanced Gaseous Nitrogen Dewar),
PCG-STES-IDQC (Protein Crystal Growth-Single Locker Thermal Enclosure System-Improved Diffraction Quality of Crystals),
PCG-STES-MM (Protein Crystal Growth-Single Locker Thermal Enclosure System-Synchrotron Based Mosaicity Measurements of Crystal Quality and Theoretical Modeling),
PCG-STES-SA (Protein Crystal Growth-Single Locker Thermal Enclosure System-Science and Applications of Facility Hardware for Protein Crystal Growth),
PCG-STES-VEKS (Protein Crystal Growth-Single Locker Thermal Enclosure System-Vapor Equilibrium Kinetics Studies),
PESTO (Photosynthesis Experiment and System Testing and Operation),
Plankton-Linza-SA (Characterizing the Effects of Atmospheric, Hydrophysical and Geological Factors on Biological Productivity of Oceanic Waters Surrounding The Republic of South Africa),
Platan (Search for Low Energy Heavy Particles of Solar and Galactic Origin),
Privyazka (Development of High Precision Orientation of Scientific Devices in Space with Reports of Deformation of the ISS Hull),
Profilaktika (Mechanisms of Action and Influence, and Effectiveness of Various Methods of Phrophylaxis Directed Toward Prevention of Disturbances of the Human Locomotion System in Weightlessness),
Prognoz (Development of a Method of Operational Prediction of Work Load on Crew Piloting Objectives),
PuFF (The Effects of EVA and Long-Term Exposure to Microgravity on Pulmonary Function),
Relaksatia (Processes of Relaxation in the Ultraviolet Band Spectrum by High Velocity Interaction of Exhaust Products on ISS),
Renal_Stone (Renal Stone Risk During Spaceflight: Assessment and Countermeasure Validation),
SKR (Skorpion: Development and Acquisition of Multifunctional Control-Measurement Device for Controlling the Environment of Scientific Experiments Inside a Pressurized Station),
SPC (Soluble Protein Crystallization: Obtaining Crystals of Soluble Proteins FcgIII and FcgeII with a Perfect Crystal Structure),
Subregional_Bone (Subregional Assessment of Bone Loss in the Axial Skeleton in Long-term Space Flight),
Tenzor (Definition of Dynamic Characteristics of ISS),
Uragan (Hurricane: Experimental Development of Groundbased System of Monitoring and Predicting the Progression of a Naturally Occurring Technogenic Catastrophe),
Vektor-T (Study of a High Precision System for Prediction Motion of ISS
Vzglyad (Photographing the Interior of ISS),
Xenon1 (Effect of Microgravity on the Peripheral Subcutaneous Veno-Arteriolar Reflex in Humans),
ZCG (Zeolite Crystal Growth).

Gemeinsame Arbeit mit den Besuchs-Mannschaften von STS-110 (10. - 17. April 2002) und Sojus TM-34 (25. April - 05. Mai 2002) rundeten das Arbeitsprogramm der Stammbesatzung ab.
STS-110 lieferte das erste Segment der zentralen Gitterstruktur der Internationalen Raumstation (ISS). Das S0-Element mit einer Masse von zwölf Tonnen ist 13,4 Meter lang und 4,6 Meter breit. Außerdem wurde der Schienenwagen zur ISS gebracht. Der als Mobile Transporter bezeichnete Schlitten nutzt das auf den Gitterelementen verlegte Schienensystem. Insgesamt wurden vier Ausstiege durchgeführt während die Atlantis mit der Raumstation verbunden war.