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D2-Mission: Eigenlob und Fremdkritik

Eine erste Bilanz der zweiten deutschen Spacelab-Mission D-2 zogen der Programmwissenschaftler Peter Sahm und Projektwissenschaftler Manfred Keller im deutschen Kontrollzentrum Oberpfaffenhofen bei München unmittelbar nach der Landung der Raumfähre Columbia in der vergangenen Woche. Dabei hatten die beiden Forscher nur Positives zu vermelden. Die D-2-Mission sei mit ihren 88 Experimenten die komplexeste und qualifizierteste Spacelab-Mission gewesen, die es je gegeben habe.

Außerhalb des Kreises der unmittelbar Beteiligten wurde die Bedeutung des elftägigen Raumfluges dagegen eher skeptisch beurteilt. Wieviel Neues die knapp 900 Mio. DM teure D-2 Mission wirklich erbracht hat und welche Ergebnisse von praktischem Nutzen sein werden, ist derzeit noch schwer abzusehen. Die intensive Auswertung der gespeicherten Daten wird bis zu einem Jahr in Anspruch nehmen, verlautbarte das DLR aus Oberpfaffenhofen.

Ein Novum für die kommende Weltraumfahrt war der Einsatz eines interaktiven Kommunikationssystems, bei dem Experimente an Bord des Spacelab vom Nutzerzentrum für Mikrogravitation (Muse) in Köln-Porz aus beeinflußt wurden. Die als „Telescience“ bezeichnete Methode erlaubt die Fernsteuerung und Neuprogrammierung von Versuchen anhand von Echtzeit-Daten. Per Telescience nutzten die bodenständigen Forscher in Köln unter anderem das Holografische Optiklabor Holop. Diese Experimentieranlage dient der Aufklärung von Wärme-Stofftransport und Erstarrungsvorgängen zum Beispiel in Salzschmelzen und Flüssigkeiten.

Hauptinteressenten der Holop-Experimente sind Metallurgen und Gießereiforscher. Letztlich dient die Telescience-Technologie auch dem Ziel, in Zukunft mit weniger Astronauten auszukommen. Erdgebundene Wissenschaftler, so die Vision der DLR, könnten dann zu Hause bleiben, während Experten des Muse die hochfliegenden Experimentieranlagen betreuen.

Angesichts der wachsenden Kritik am Kosten-Nutzen-Verhältnis der bemannten Raumfahrt dürften Roboter in Zukunft immer häufiger die Aufgaben „echter“ Astronauten übernehmen. Zumindest eines der 88 Experimente der D-2 Mission wurde denn auch von einem Robotergreifarm ausgeführt, der von einem Team um Gerhard Hirzinger am DLR-Institut für Robotik und Systemdynamik entwickelt wurde. Nachdem Rotex – so der Name des „achten Astronauten“ – einen freischwebenden Aluminiumwürfel im Weltraum wieder eingefangen hatte, konnte Hirzinger nicht mehr an sich halten: „Wir sind begeistert, unsere kühnsten Erwartungen sind in Erfüllung gegangen!“ Das Ergebnis sei „eine Weltsensation“, man habe sich damit in der Robotertechnik einen Spitzenplatz gesichert.

Für Astronomen interessant sind die über 100 Aufnahmen der Ultraweitwinkelkamera Gauss. Mit einem Gesichtsfeld von 145 Grad wurden wie geplant Bilder der gesamten Milchstraße in sechs Spektralbereichen angefertigt. Die Aufnahmen vorwiegend junger Sterne und der von ihnen aufgeheizten Gasmassen liefern den Astrophysikern die Grundlagen für ein besseres Verständnis der Spiralarmstruktur der Milchstraße. Zusätzlich brachte die Gauss-Kamera mehrere stereoskopische Aufnahmen der Erdatmosphäre mit nach Hause.

Als „einzigartig in der Weltraumforschung“ bezeichnet die Deutsche Agentur für Raumfahrtangelegenheiten (Dara) ein mit fünf Objektiven bestücktes elektronisches Kamerasystem. „Mit dem Modularen Optoelektronischen Multispektral-Stereo Scanner Moms-02 erreicht die Beobachtung der Erdoberfläche eine neue Dimension“, sagt Heinz Stoewer, Dara-Geschäftsführer Nutzung, in Köln.

Anfänglich hatte es Schwierigkeiten mit der Kalibrierung des Instruments gegeben, die jedoch durch die Bodenkontrolle in Oberpfaffenhofen gemildert werden konnten. Als Testgebiete dienten während der D-2 Mission die südlichen USA und Mexiko, Nordafrika und Arabien sowie Australien und Südamerika. Im Rahmen eines UNO-Auftrags wurden außerdem kartographische Aufnahmen von Kambodscha gemacht. Begeisterung unter den beteiligten Wissenschaftlern rief vor allem die hohe Auflösung von bis zu 4,5 m hervor.

Moms-02 erlaubt die Erstellung digitaler Geländemodelle und entsprechender Karten im Maßstab bis zu 1:25 000. Dabei können wegen der hohen spektralen Auflösung sowohl Farben als auch Formen der Erdoberfläche erfaßt werden. Für die Umweltforschung interessant dürfte die Kartierung von Wald- und Flurschäden sein. Auch die EG-weit verordneten Flächenstillegungen für die Landwirtschaft könnten im Prinzip mit der Spezialkamera überwacht werden. Schließlich sollen auch Entwicklungsländer bei der Erschließung von Rohstoffen und der Infrastrukturplanung von der Weltraumkamera profitieren, die vom Forschungsministerium und der Dara seit 1977 gefördert wurde.

In Köln erklärte Heinz Stoewer, man wolle keine Datenfriedhöfe produzieren. Die Verteilung der Moms-Daten wird deshalb von der Deutschen Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) unterstützt. Nach dem erfolgreichen Probelauf soll die Kamera ab Juni nächsten Jahres in deutsch-russischer Kooperation auf der Mir-Plattform Piroda zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zur 11-tägigen D-2 Mission könnte Moms-02 Langzeitdaten liefern. Der Piroda-Einsatz ist auf bis zu 18 Monate ausgelegt.

Außerdem erreicht die russische Weltraumstation auf ihrer Umlaufbahn eine wesentlich höhere geographische Breite als die Raumfähre Columbia auf ihrer letzten Mission. Während Columbia nur Regionen zwischen 28,5 Grad südlicher und nördlicher Breite überflog – also etwa von Ägypten bis Südafrika – erreicht Mir 51,6 Grad, was der geographischen Breite von Berlin entspricht. Erst die Kooperation mit Rußland ermöglicht es also, die meisten interessanten Gebiete der Industrieund Entwicklungsländer zu beobachten.

Im Anthrorack, der fliegenden Miniklinik des Spacelab, untersuchten die deutschen Wissenschaftsastronauten Hans Schlegel und Ulrich Walter unter anderem das Herz-Kreislaufsystem, die Lunge und die Flüssigkeitsverteilung im Körper unter Schwerelosigkeit. Dabei wurde festgestellt, daß die Belüftung der Lunge entgegen der Lehrbuchmeinung nicht von der Schwerkraft abhängig ist.

Mit einem Akzelerometer, einem Meßgerät für Schwerefeldänderungen, wiesen die Astronauten nach, daß die Pumpleistung des Herzens im Prinzip auch ohne Eingriff gemessen werden kann. Ob aus dem spontan erdachten Versuch eine „wichtige und wegweisende medizinische Diagnostikmethode“ erwächst, bleibt abzuwarten; ebenso die Darstellung der DLR, wonach die Ergebnisse der D-2 Mission für die Aidsforschung von Bedeutung seien.

Unter Augenärzten umstritten ist die Behauptung, erst die D-1 Mission habe zur Entwicklung eines Selbsttonometers geführt. Das Tonometer ermöglicht die Messung des Augeninnendrucks, was die Diagnose des Grünen Stars erleichtert. Besonders umstritten sind die Versuche, an Bord des Spacelab Protein-Kristalle wachsen zu lassen.

Diese sollten größer und reiner sein als auf der Erde hergestellte Bio-Kristalle, so jedenfalls die Hoffnung von Professor Volker Erdmann vom Institut für Biochemie der Freien Universität Berlin, der sich mit seinem Team bereits an fünf unbemannten Missionen beteiligt hat und auch auf der D-2 Mission zwei Gestelle mit jeweils 24 Kristallisationskammern an Bord hatte. Diese Eigenschaften erleichtern eine Röntgenstrukturanalyse, mit der sich der Aufbau der hochkomplexen Biokatalysatoren bis in die kleinsten Details erfassen läßt. Die Röntgendaten wiederum fließen heute schon ein in die Entwicklung neuer, maßgeschneiderter Medikamente.

Die Mehrheit der bodenständigen Biochemiker glaubt allerdings nicht an „Medikamente aus dem AII“. So resümierten amerikanische Wissenschaftler kürzlich in der Zeitschritt „Nature“, die Mikrogravitationsforschung habe bisher keinen wesentlichen Beitrag zur Analyse irgendeines Eiweißkörpers geleistet. Auch der Nobelpreisträger Robert Huber vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München stellte die Erfolgsmeldungen aus dem All in Frage. „Es gibt keinen Grund, warum Proteinkristalle unter Schwerelosigkeit besser wachsen sollten als auf der Erde. Es gibt keinen einzigen Fall, bei dem Kristalle aus dem Weltraum für die Analyse besser geeignet waren als solche, die auf der Erde gezogen wurden“, sagte der Nobelpreisträger. „Diese Experimente verlaufen erwiesenermaßen seit über zehn Jahren erfolglos, die Finanzierung sollte eingestellt werden.“

Huber verwies darauf, daß die Kosten der D-2 Mission in etwa dem gesamten Jahresetat der Max-Planck-Gesellschaft entsprechen, und forderte dazu auf, den wissenschaftlichen Nutzen beider Unternehmungen unter diesem Aspekt zu vergleichen.

(erschienen in den VDI-Nachrichten am 14. Mai 1993)

Schnappschüsse per Laserblitz

„Um den Übergang der Energie von der heißen Sonne zur kalten Erde auszunutzen, breiten die Pflanzen die unermesslichen Flächen ihrer Blätter aus und zwingen die Sonnenenergie in noch unerforschter Weise, chemische Synthesen auszuführen, von denen man in unseren Laboratorien noch keine Ahnung hat.“

So fasste der große Physikochemiker Ludwig Boltzman am Anfang dieses Jahrhunderts den Stand der Forschung auf dem Gebiet der Photosynthese zusammen. In den 84 Jahren, die seit dieser Feststellung vergangen sind, haben die Wissenschaftler jedoch einiges dazugelernt. Laserblitz und Infrarotstrahlung, Computersimulation und Röntgenbeugung sind das Handwerkszeug, mit dem die Experten in die Geheimnisse dieses Prozesses eindringen.

Vor rund drei Milliarden Jahren wurde die Photosynthese „erfunden“ und damit die Voraussetzung für die Entwicklung höheren Lebens auf unserem Planeten geschaffen. Unvorstellbare Energiemengen werden von photosynthetischen Bakterien, Algen und grünen Pflanzen in Form von Sonnenlicht aufgenommen.

Diese Energie wird benutzt, um jährlich mehr als zehn Milliarden Tonnen Kohlenstoff in organische Moleküle einzubauen. Der Sauerstoff der Luft, ohne den wir alle zugrunde gehen müssten, ist ein „Abfallprodukt“ dieser Reaktion. Die Nahrung, die wir zu uns nehmen, stammt letztlich ebenso aus dieser „wichtigsten Reaktion der Welt“ wie die fossilen Energieträger Kohle, Öl und Gas.

Kein Wunder also, dass die Forschung sich für die Vorgänge interessiert, mit denen der Sonnenschein in nutzbare Energie überführt wird. Einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis dieser Reaktion lieferten deutsche Wissenschaftler, denen es gelang, die Struktur und Funktion des photosynthetischen Reaktionszentrums am Purpurbakterium Rhodopseudomonas aufzuklären.

Hartmut Michel, Johann Deisenhofer und Robert Huber erhielten im vorigen Jahr den Nobelpreis für Chemie, weil sie in dem ungeheuer komplexen Molekül die räumliche Anordnung einiger 10000 Atome zueinander mit dem Verfahren der Röntgenstrukturanalyse feststellen konnten.

Dass dieser Erfolg keinen Einzelfall darstellt, zeigt die deutsche Beteiligung an internationalen Fachkonferenzen. Bald jeder dritte Teilnehmer kommt dort mittlerweile aus der Bundesrepublik. Neben München und Berlin wird auch in Freiburg intensiv an den Mechanismen der Photosynthese geforscht.

Am Institut für Biophysik und Strahlenbiologie gilt das Hauptinteresse den sogenannten Primärreaktionen, bei denen die Lichtenergie dazu benutzt wird, um eine Trennung elektrischer Ladungen herbeizuführen. Wie bei einer Batterie können die einmal getrennten Ladungen später wieder in der Sekundärreaktion vereint werden. Die dabei freiwerdende gespeicherte Energie treibt dann die Stoffwechselvorgänge in den Zellen an.

Photosynthese - Wikipedia

Eine Reaktion, von der alles Leben auf der Erde abhängt: Die Photosynthese (Quelle: Lanzi via Wikimedia Commons)

Die Primärreaktion, die hier unter Leitung von Prof. Werner Mäntele untersucht wird, läuft mit kaum fassbarer Geschwindigkeit ab. Entsprechend groß ist auch der experimentelle Aufwand, den die Forscher betreiben müssen, um die einzelnen Schritte der Reaktion noch auflösen zu können. Laser geben Lichtblitze von einigen milliardstel Sekunden Dauer ab. Die Ereignisse, die damit in den Biomolekülen ausgelöst werden, können mit Hilfe der Infrarotspektroskopie exakt erfasst werden, obwohl sie in weniger als einer millionstel Sekunde ablaufen.

Die Präzisionsgeräte werden vom benachbarten Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik zugeliefert und dann in der hauseigenen Werkstatt an die speziellen Bedürfnisse der Biophysiker angepasst. Selbst die Computersoftware, die komplexe Messungen erst ermöglicht, wurde von der sechsköpfigen Arbeitsgruppe selbst entwickelt. Stolz präsentiert Prof. Mäntele eine Granitplatte, die auf mehrere Autoreifen gelagert ist. Das komplette System hat ihn drei Flaschen Wein gekostet und schützt die etwa 100000 Mark teuren Laser genauso zuverlässig vor unerwünschten Schwingungen, wie die kommerziellen Gegenstücke, die zum Stückpreis von 15 000 Mark zu haben sind.

Mäntele erläutert die Vorteile der Infrarotspektroskopie (lRS) gegenüber der Röntgenstrukturanalyse von Proteinkristallen, wie sie die letztjährigen Träger des Chemienobelpreises angewandt haben: Während die Auswertung von Beugungsmustern, die beim Beschießen der Kristalle mit Röntgenstrahlen entstehen, nur eine Momentaufnahme des photosynthetischen Reaktionszentrums vermittelt, kann die IRS den Weg der Ladungsträger durch das Molekül verfolgen.

Die ständige Weiterentwicklung und Verfeinerung der Technik, die hier schon seit 1982 angewandt wird, erlaubt es, auch noch die kleinsten Bewegungen in dem Riesenmolekül zu verfolgen. Die Änderung einer einzelnen Bindung – einer sogenannten Wasserstoffbrücke – nach der Aufnahme von Lichtenergie konnte so nachgewiesen werden.

In dem Reaktionszentrum dient ein umfangreiches Eiweißgerüst dazu, eine Anzahl von Farbstoffmolekülen (Pigmenten) so auszurichten, dass nach dem „Einfangen“ eines Lichtteilchens zwei Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens entstehen. Der Trick der Natur besteht nun darin, das negativ geladene Teilchen so schnell vom Ort des Geschehens zu entfernen, dass die Wiedervereinigung mit der zurückbleibenden positiven Ladung unterbleibt.

Wie ein Schalter wirkt dabei eines der Pigmente und zwingt das Eiweißgerüst etwa 200Picosekunden lang“ (fünf milliardstel Sekunden also) in eine Form, die diesen Elektronentransport ermöglicht. Dann ist die „Hauptarbeit“ bei der Photosynthese geleistet.

Dies weiß man, weil es gelang, die Abstände einzelner Atome zueinander während dieses Vorganges zu beobachten. Das negative Teilchen ist anschließend jenseits einer zellulären „Trennwand“ gespeichert. Später wird es kontrolliert wieder mit einem positiven Teilchen vereinigt. Dabei wird etwa 50 Prozent der ursprünglichen Energie des Lichtteilchens als nutzbare Energie frei.

Mittlerweile weiß man, dass sich viele der Erkenntnisse, die man an einfachen Bakterien gewonnen hat, auch auf höherstehende Lebewesen übertragen lassen. Diese sind allerdings noch komplizierter und leistungsfähiger. So haben die grünen Pflanzen und die Algen gleich zwei Reaktionszentren, die sich gegenseitig ergänzen. Das Photosystem II ist dabei dem der Bakterien sehr ähnlich. Die Ladungstrennung verläuft in vergleichbaren Zeiträumen, und auch die beteiligten Moleküle zeigen nur geringfüge Unterschiede zu denen der Purpurbakterien.

Beim Photosystem I dagegen tappt man noch weitgehend im Dunkeln, hier sind noch nicht einmal alle Moleküle bekannt, die an der Umsetzung der Lichtenergie beteiligt sind. Röntgenfähige Kristalle, die Prof. Horst Tobias Witt von der TU Berlin hergestellt hat, könnten aber in naher Zukunft zu einem Durchbruch führen.

Mit seinen bisherigen Ergebnissen lassen sich aber noch keine einzelnen Atome lokalisieren. Strukturen, die vier Milliardstel Zentimeter (Ångström) auseinander liegen, kann Witt derzeit schon erkennen. Bei einer Auflösung unter drei Ångström wird es möglich, die Positionen einzelner Atome zu errechnen. Dann wäre das letzte große Geheimnis der Photosynthese gelüftet. Denkbar wäre es dann beispielsweise, neuartige Schaltelemente für die Mikroelektronik zu fertigen, aufgebaut nach dem Muster der photosynthetischen Pigmente. Diese würden es ermöglichen, noch kleinere und schnellere Computer zu konstruieren. Im Moment sind derartige Überlegungen, wie sie von amerikanischen Wissenschaftlern angestellt werden, allerdings noch Zukunftsmusik.

(erschienen in der WELT am 19. August 1989)