ISS: Expedition 5

Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC).

Nach zweitägigem Alleinflug erfolgte das Andocken an die Internationale Raumstation ISS am 07. Juni 2002. Danach folgte die Ablösung der bisherigen ISS-Besatzung. STS-111 lieferte das letzte Bauteil, mit dem das Mobile Base System (MBS), das von STS-110 gelieferte Transportsystem komplettiert werden konnte. Mit dessen Hilfe konnte sich nun der Canadarm2 deutlich schneller über die Station bewegen. Weiterhin wurden neue Experimente für die Wissenschaftler mit dem Mehrzweck-Logistik-Modul (MPLM) Leonardo angeliefert. Insgesamt wurden von Franklin Chang-Diaz und Philippe Perrin drei EVAs durchgeführt, während die Endeavour mit der ISS verbunden war.

Insgesamt 26 Experimente auf verschiedenen wissenschaftlichen Gebieten wurden erfolgreich durchgeführt. Allerdings gab es Probleme mit der Microgravity Science Glovebox (MSG), einer in Europa hergestellten wissenschaftlichen Forschungsanlage. Außerdem wurde eine Reihe Reparatur- und Unterhaltungsarbeiten durchgeführt.

Einen Außenbordeinsatz führten Waleri Korsun und Peggy Whitson am 16. August 2002 (4h 25m) zur Installation der sechs ersten von möglicherweise 23 Schutzschilden an Swesda durch.

Die zweite und letzte EVA durch Waleri Korsun und Sergej Trestschow erfolgte am 26. August 2002 (5h 21m) zur Befestigung von Werkzeug an der ISS, das für künftige Weltraumspaziergänge benötigt wird, sowie Installation von Hardware (Platten) für das russische Kromka-Experiment und Austausch von japanischen Experimenteinheiten an Swesda. Darüber hinaus wurden zwei weitere Funkantennen an Swesda angebracht.

Mit der Microgravity Science Glovebox (MSG) werden anspruchsvolle Forschungen zu Biotechnologie, Verbrennungsprozessen, Flüssigkeitsphysik, Grundlagenphysik oder Materialwissenschaft möglich. Die „Handschuhbox“ ist ein versiegelter Container mit einer großen Frontglasscheibe und vier Zugängen über Spezialhandschuhe. Sie verfügt über eine eigene Energieversorgung, Daten- und Kühlmittelleitungen sowie Videoüberwachung. Im Inneren können aber auch Schmelzöfen und andere Apparaturen untergebracht werden. Die MSG ist doppelt so groß wie alle bisherigen Geräte dieser Art und soll zehn Jahre genutzt werden. Mit ihrer Hilfe können die Experimentatoren im Vakuum, mit gefährlichen biologischen oder chemischen Substanzen, mit Partikeln, Gasen, Flüssigkeiten, Dampf, Rauch oder offenen Flammen arbeiten, ohne dass der Lebensraum in der Station belastet oder gefährdet wird. Die ersten beiden Experimente in der Glovebox waren physikalischer Natur. Bei Solidification Using a Baffle in Sealed Ampoules (SUBSA) wurde ein Halbleiterkristall aus Indium-Antimonid hergestellt, der mit Einschlüssen aus Tellur und Zink versehen war. Dazu befand sich ein Schmelzofen in der Box, der das Gemisch bis auf ca. 810 °C erwärmte. Bei langsamer Erstarrung (Wachstumsrate 5,4 mm/h) wächst der Kristall in eine Richtung. Die Anordnung der Tellur- und Zinkpartikel gibt Auskunft über die Bewegungen innerhalb der Schmelze. Ziel des Experiments ist eine Verbesserung der Modelle, die wir von der Kristallbildung haben. Bisher überlagern sich, auch in der Schwerelosigkeit, mehrere Effekte, die zu Unregelmäßigkeiten im Kristallaufbau führen. Da man erstmals einen transparenten Schmelzofen verwendete, konnte man die Kristallisation direkt beobachten und auf Störungen reagieren. Eine scheibenförmige Fläche in der Schmelze sollte zudem den Einfluss der kleinen Bewegungen innerhalb der Station dämpfen. Damit das Halbleitermaterial nicht mit der Wand der Schmelzampulle in Kontakt kommen konnte, hatte dieses eine besondere Form. Außerdem schwamm die Schmelze in einer isolierenden, chemisch inaktiven Flüssigkeit. Dadurch wurden auch Adhäsionskräfte minimiert und die dem eigentlichen Kristallisationsprozess innewohnenden Effekte wurden erkennbar. Von den 10 Proben, mit denen Peggy Whitson den Schmelzofen bestückte, waren 8 erfolgreich. Eine der Ampullen zerbrach. Nach sorgfältigem Einsammeln der Glasbruchstücke konnte die Versuchsserie fortgesetzt werden. Das zweite Glovebox-Experiment wurde als Pore Formation and Mobility Investigations (PFMI) bezeichnet und beschäftigte sich ebenfalls mit Erstarrungsprozessen. Beim Erstarren von Metallschmelzen steigen in der Schwerelosigkeit kleine Gasbläschen nicht nach oben sondern bilden porenartige Materialdefekte. Die Entstehung derartiger Poren und ihre Bewegung während des Erstarrungsprozesses soll durch die Verwendung eines transparenten und elastischen Materials erstmals beobachtet werden können. Deshalb verwendet man als Grundmaterial Bernsteinsäurenitrile (Succinonitrile) und Wasser. Auf der Erde treten Materialmängel durch mikroskopische Bläschen ebenfalls auf. Dadurch können große Schäden entstehen, beispielsweise beim Bruch einer Turbinenschaufel in einem Flugzeugtriebwerk. Die 15 Probenbehälter beim ersten Einsatz des Experiments waren zylindrisch mit einem Durchmesser von 1 cm und einer Länge von etwa 20 cm. Ein Schmelzen-Erstarren-Zyklus dauerte ca. sieben Stunden. Dabei ließen sich Temperatur und Wachstumsrate von der Erde aus steuern. Der Fortgang des Experimentes wurde durch eine Videokamera übertragen. Gemessen wurden Bläschenzahl und -größe sowie deren Bewegungen und Wechselwirkungen untereinander.

Neue medizinisch-biologische Studien befassten sich mit der Funktion von Leberzellen in der Mikrogravitation (Experiment StelSys), Wachstum und Entwicklung verschiedener Pflanzen (PGBA/CGBA, ADVASC, Rastenija 2), der Vorbeugung negativer Auswirkungen eines längeren Aufenthaltes in der Schwerelosigkeit (Biopsy, Midodrine, Mobility, Epstein-Barr), dem Einschließen von Medikamenten in Mikrokapseln (MEPS), Modifikation und Mutation von Mikroorganismen unter dem Einfluss von Schwerelosigkeit und kosmischer Strahlung (Biorisk) sowie Veränderungen in der Regulation des Herz-Kreislauf- und Atmungssystems bei längeren Raumflügen (Pulse).

Beim Experiment StelSys (Firmenname) wurden Leberzellen in der Schwerelosigkeit gehalten. Man untersuchte ihre Fähigkeit, komplexe und oftmals für den Körper toxische Substanzen in einfachere, wasserlösliche umzuwandeln. Die Experimentieranordnung befand sich im CBOSS-Modul (Cellular Biotechnology Operations Support System), die Temperaturkontrolle wurde durch das Commercial Refrigerator Incubator Module (CRIM) gewährleistet. Regelmäßig wurden Proben aus der Zellkultur entnommen, eingefroren und in einem ARCTIC-Gefrierschrank bei -12 °C gelagert. ARCTIC kann Proben mit einer Gesamtmasse von 10,43 kg und einem Maximalvolumen von 18,97 Litern aufnehmen.

Im Plant Growth Bioprocessing Apparatus (PGBA) wurden Pflanzen der Gattung Ackerschmalwand (Arabidipsis thaliana) angebaut. Von dieser Gattung ist das Erbgut bereits seit mehreren Jahren sehr gut bekannt, so dass erbliche Veränderungen leicht identifiziert werden können. In der Schwerelosigkeit benötigen die Pflanzen weniger Lignin, das auf der Erde zum Aufbau der Zellwände dient. Ohne Schwerkraft müssen diese Stützstrukturen nicht so ausgeprägt sein. Die Pflanze ändert stattdessen ihren Stoffwechsel, kann dadurch andere, für den Menschen kommerziell oder medizinisch nützliche Substanzen produzieren. Die Forscher untersuchten, was bei diesem Wandel auf genetischer Ebene passiert. Später will man dieses Wissen nutzen, um auch auf der Erde Pflanzen in dieser Richtung zu beeinflussen. Schon heute werden bestimmte medizinische Wirkstoffe in gentechnisch veränderten Pflanzen produziert. Zwischenzeitlich entnommene Proben wurden im Commercial Generic Bioprocessing Apparatus (CGBA) eingefroren.

Im Rahmen der Forschungen im Komplex ADVanced AStroCulture (ADVASC) wurden Sojabohnen von der Aussaat bis zur Ernte neuer Samen gezüchtet. Das Saatgut wurde anschließend auf Veränderungen in seiner chemischen Zusammensetzung untersucht. Gleichzeitig sollte die Apparatur ihre Eignung für den Anbau weiterer Feldfrüchte unter Beweis stellen.

Beim Experiment Rastenija 2 wurden Salatpflanzen im LADA-Gewächshaus gezogen. Salat könnte ein wichtiger Vitaminlieferant im Weltraum sein. Von Interesse war auch hier der Einfluss der Schwerelosigkeit auf Wachstum und Entwicklung der Pflanzen. Untersucht wurden aber auch die Funktionalität des Gewächshauses, die Widerstandsfähigkeit und die Anpassung an die außergewöhnlichen Bedingungen im Weltraum (Mikrogravitation, Strahlung) und die Ethylenkonzentration im russischen Segment der ISS.

Im Rahmen des Experimentes Biopsy wurde den Raumfahrern vor und nach dem Flug Gewebe aus der Wadenmuskulatur entnommen. Dadurch lassen sich die Auswirkungen eines Aufenthaltes in der Schwerelosigkeit besonders genau untersuchen.

Selbstverständlich wurde eine Vielzahl laufender Experimente fortgeführt. Dazu gehörten die Untersuchung von Veränderungen der Lungenfunktion (Pulmonary Functions in Flight), das Ausfüllen von Fragebögen zur Zusammenarbeit innerhalb der Crew und mit dem Bodenpersonal (Crew Interaction), die Beobachtung natürlicher und vom Menschen verursachter Phänomene auf der Erde und in der Erdatmosphäre (Crew Earth Observation, Uragan, Molnija SM), die Messung der Strahlenbelastung innerhalb und außerhalb der Station (EVA Radiation Monitoring, BraDoz), die Erfassung von minimalen Beschleunigungen, die durch Bewegungen der Raumfahrer, Bahnmanöver oder Kopplungen verursacht werden (MAMS, SAMS, Izgib), Studien zum erhöhten Nierensteinrisiko (Renal Stone Risk) sowie zum Muskel- und Knochenverlust bei Langzeitaufenthalten im Weltraum (Bone Loss, Profilaktika, MION, Isokinez, Tendometrija), Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den Venen-Arterien-Reflex (Xenon 1), die Analyse von Triebwerksabgasen und die Dynamik von Partikeln der Triebwerksdüsen (Relaksatsija, Kromka), die Volumenbestimmung intra- und interzellulärer Körperflüssigkeiten (Sprut MBI), die Untersuchung gesundheitlich bedeutsamer Veränderungen im Mundraum (Paradont), die Überprüfung der Effizienz von Medikamenten (Farma), die Aufzeichnung von Veränderungen der Herzaktivität bei Belastung (Kardio-ODNT), die Erarbeitung von Vorhersagen für Strahlenbelastungen (Prognoz), die Dokumentation bioproduktiver Zonen der Weltmeere (Diatomeja), die Abschätzung der zu erwartenden Erosion der Außenhaut der Station (Meteoroid), die Messung der verschiedenen Bahnparameter der Station (Tenzor, Vektor T), die Bestimmung langfristiger Formveränderungen der Station (Priviazka), die Messung magnetischer Interferenzen innerhalb der Station und deren Einfluss auf laufende Experimente (Iskazhenije), das Verhalten von Partikelwolken in dünnen Plasmen (Plasma Kristall Experiment), die Erprobung eines kommerziellen, globalen Zeit-Systems (Global Time System), die Produktion einer Vielzahl sehr reiner Protein- und Zeolitkristalle (Protein Crystal Growth-Single Thermal Enclosure System DCAM / PCAM, Zeolite Crystal Growth) oder die Registrierung von Partikeleinschlägen und deren Auswirkungen auf verschiedene Testmaterialien (HPAC, SEED).

Am 24. Juni 2002 wurde Express-Rack 2 mit dem Zeolite Crystal Growth Experiment nach dem Austausch einer Festplatte im Steuerungscomputer reaktiviert. Zeolite sind wabenförmige Kristalle, die in ihrem Inneren Flüssigkeiten oder Gase einschließen, die sie bei Erwärmung oder Drucksenkung wieder abgeben. In der Schwerelosigkeit hergestellte Zeolite sind größer und reiner als irdische. Um den Einfluss von Störungen so gering wie möglich zu halten, ist der Schmelzofen auf einer schwingungsgedämpften Plattform ARIS montiert. Die erste Versuchsserie dauerte 15 Tage.

Ebenfalls zum Programm gehörten Forschungen zur Interaktion der Crewmitglieder, Lungenfunktionstests (PuFF), das tägliche Fitnesstraining der Raumfahrer mit Expandern, auf dem Ergometer oder dem Laufband sowie die Beobachtung und Dokumentation natürlicher und vom Menschen verursachter Phänomene auf der Erde (Crew Earth Observation). Beobachtungsziele waren unter anderem Vegetationszonen in Somalia, das Amazonas-Delta, Riffe und Lagunen des Tuamotu-Archipels, die Luftqualität über Italien, Andengletscher, Eisberge im St.-Lawrence-Strom sowie Großfeuer in Arizona und Colorado.

Während ihres Aufenthaltes an Bord der ISS führte die Crew der Expedition 5 folgende wissenschaftlichen Experimente durch (vollständige Auflistung):
ADVASC (Advanced Astroculture),
ARISS (Amateur Radio on the International Space Station),
Biopsy (Effect of Prolonged Space Flight on Human Skeletal Muscle),
Biorisk (Influence of Factors of the Space Environment on the Condition of the System of Microorganisms-Hosts Relating to the Problem of Environmental Safety of Flight Techniques and Planetary Quarantine),
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),
CardioRespir (Cardiorespiratory Adaptation to the Space Environment),
CEO (Crew Earth Observations,
Clinical Nutrition Assessment (Clinical Nutrition Assessment of ISS Astronauts, SMO-016E),
Diatomeya (Stability of Geographical Position and Configuration of Borders of Bioproductive Water Zones of the World Oceans, Observations by Orbition Station Crews),
EarthKAM (Earth Knowledge Acquired by Middle School Students),
Environmental Monitoring (Environmental Monitoring of the International Space Station),
EPO (Education Payload Operations),
Epstein-Barr (Space Flight Induced Reactivation of Latent Epstein-Barr Virus),
EVARM (A Study of Radiation Doses Experienced by Astronauts in EVA),
Farma (Characteristics of Pharmacological Responses (absorption, distribution and elimination of acetominophene) in Long Duration Space Flight),
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)),
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),
MEPS (Microencapsulation Electrostatic Processing System),
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),
Mobility (Promoting Sensorimotor Response Generalizability: A Countermeasure to Mitigate Locomotor Dysfunction After Long-Duration Space Flight),
Molniya-SM (Investigation of Lightning Discharges in the Earth's Atmosphere and Lower Ionosphere),
Paradont (Condition of Peridontal Tissues in Space Flight),
PCG-STES-IDQC (Protein Crystal Growth-Single Locker Thermal Enclosure System-Improved Diffraction Quality of Crystals),
PCG-STES-IMP (Protein Crystal Growth-Single Locker Thermal Enclosure System-Crystallization of the Integral Membrane Protein Using Microgravity),
PCG-STES-MM (Protein Crystal Growth-Single Locker Thermal Enclosure System-Synchrotron Based Mosaicity Measurements of Crystal Quality and Theoretical Modeling),
PCG-STES-MMTP (Protein Crystal Growth-Single Locker Thermal Enclosure System-Crystallization of the Mitochondrial Metabolite Transport Proteins),
PCG-STES-RDP (Protein Crystal Growth-Single Locker Thermal Enclosure System-Engineering a Ribozyme for Diffraction Properties),
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),
PFMI (Toward Understanding Pore Formation and Mobility During Controlled Directional Solidification in a Microgravity Environment),
PGBA (Plant Generic Bioprocessing Apparatus),
Plasma Crystal (Dusty and Liquid Plasma Crystals in Conditions of Microgravity),
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),
Pulse (Vegatative (Autonomic) Regulation of the Cardio-Respiratory System of Humans in Conditions of Weightlessness),
Rastenia (Growth and Development of Higher Plants through Multiple Generations),
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),
Sprut-MBI (Determination of Intracellular and Extracellular Fluid Volume in Humans in Space Flight),
StelSys (StelSys Liver Cell Function Research),
Subregional Bone (Subregional Assessment of Bone Loss in the Axial Skeleton in Long-term Space Flight),
SUBSA (Solidification Using a Baffle in Sealed Ampoules),
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).

Während der Mission wurde Peggy Whitson zum NASA ISS Wissenschaftsoffizier ernannt. Die russischen Transportfrachter Progress 8 und 9 brachten Lebensmittel, Treibstoff und sonstige Gerätschaften zur ISS und mussten von der Crew geleert werden. Während der Mission dockte noch die Besuchs-Mannschaft STS-112 (09. - 16. Oktober 2002) und die Taxi-Crew Sojus TMA-1 (01. - 09. November 2002) an die Station an.
STS-112 lieferte, neben neuen Experimenten, mit S1 das zweite Strukturelement zur Internationalen Raumstation. Es ist 13,7 Meter lang, maximal 4,6 Meter breit und hat eine Masse von 14 Tonnen. Das S1-Element wurde an das S0-Element montiert, das von STS-110 geliefert wurde. Insgesamt wurden drei Ausstiege durchgeführt während die Atlantis mit der ISS verbunden war.