Foton-M3 was een onbemande Russisch onderzoekscapsule (een Foton-M-capsule) dat speciaal ontworpen werd om korte, intensieve experimentcampagnes in microzwaartekracht uit te voeren en de proefopstellingen daarna weer veilig naar aarde terug te brengen met behulp van een kleine, ronde capsule.
De Foton-M3 capsule vertrok op 14 september 2007 aan boord van een Soyuz-U raket vanaf het Baikonur-cosmodroom in Kazachstan en verbleef ongeveer 12 dagen in en lage baan om de aarde; de capsule keerde terug en landde eind september 2007 in het grensgebied tussen Rusland en Kazachstan. Bij de lancering had de Foton-M3 capsule een gewicht van 6,4 ton. Foton-M3 was bedoeld om een grote variëteit aan wetenschappelijke en technologische experimenten bloot te stellen aan microzwaartekracht (en in sommige gevallen ook aan de open ruimte of verhoogde stralingsblootstelling). Het hoofddoel was fundamenteel en toegepast onderzoek in disciplines zoals levenswetenschappen (cel- en weefselonderzoek), fluidynamics en materiaalwetenschappen (kristalgroei, legervloei- en diffusieprocessen), stralingsdosimetrie en exobiologie. Omdat het een terugkeerbare capsule is, konden monsters en instrumenten na de vlucht fysisch teruggehaald en in detail op aarde geanalyseerd worden, dat maakte de Foton-campagnes zeer waardevol voor biologische en moleculaire follow-up-studies. De vlucht bevatte een grote Europese component: ESA coördineerde zo’n veertig Europese experimenten aan boord.
Welke experimenten zaten aan boord?
De Foton-M3-lading was heterogeen en bestond uit tientallen afzonderlijke experimenten en faciliteiten; hieronder de belangrijkste categorieën en enkele opvallende projecten:
- Biologie en biomedisch onderzoek (Biobox, Biopan, Aquahab e.a.)
Diverse cellulaire experimenten bestudeerden het effect van microzwaartekracht en ruimte-straling op cellen en weefsels — bijvoorbeeld huidfibroblasten, botcellen (osteoblasten/osteoclasten) en micro-organismen. De Biobox-incubator bood temperatuur-gecontroleerde modules met een interne centrifuge (1 g referentie) zodat monsters in µg en in kunstmatig 1 g konden worden vergeleken. Daarmee konden onderzoekers onderscheid maken tussen effecten door gewichtloosheid en door stralingsblootstelling. - Bot-onderzoek en tegenmaatregelen
Botverlies in microzwaartekracht is een belangrijk probleem voor lange ruimtevluchten; Foton-M3 bevatte experimenten die mechanismen van botafbraak onderzochten en mogelijke tegenmaatregelen testten (bijvoorbeeld kleine, hoogfrequente mechanische trillingen). De experimentele opstellingen werkten met bot-explantaten en celculturen. - YES2 / Fotino (studentenproject voor terugkeer-technologie)
Een opvallende engineeringtest was YES2 (Young Engineers’ Satellite 2): vanaf de buitenzijde van Foton werd een klein, hitte-beschermd capsule-tje (“Fotino”) losgelaten vanaf het uiteinde van een lange tether, om een goedkope methode te demonstreren voor het terugbrengen van kleine ladingen naar aarde. De uitrol verliep niet helemaal volgens plan: de tether werd korter dan voorzien uitgelegd en Fotino werd uiteindelijk losgekoppeld bij een aanzienlijk kleinere afstand dan de beoogde 30 km, desalniettemin leverde het experiment waardevolle data over dynamica en tether-technologie. - Fluid-physics en materiaalwetenschappen
Er waren faciliteiten voor micrograviteit-vloeistofstudies (bijv. Gradient/GradFlex, FluidPac), en voor kristalgroei-experimenten (bijv. Granada) die bedoeld zijn om zuiverdere of grotere kristallen te laten groeien dan op aarde mogelijk is. Resultaten ondersteunen toepassingen in halfgeleiderfysica, chemische engineering en farmaceutische research. - Dier-experimenten / exobiologie / radiatie
Er waren klassieke Foton-life-scienceexperimenten met kleine zoogdieren (bijv. gerbils), met nieuwet/gecko-onderzoeken en met exobiologie-experimenten in Biopan (blootstelling aan open ruimte / meteoritische re-entry condities). Daarnaast bevond zich instrumentatie voor stralingsmeting en exobiologische monsters.
De missie leverde veel teruggebrachte monsters en meetdata op. Enkele concrete uitkomsten: de YES2-tether leverde belangrijke technische lessons-learned ondanks de kortere uitrol; botexperimenten zoals FreqBone hebben follow-up-publicaties opgeleverd die de rol van hoogfrequente mechanische prikkels in bot-homeostase verder verkennen; cellulaire studies (o.a. fibroblasten) hebben gegevens over DNA-schade, stress-respons en signaalroutes verstrekt die relevant zijn voor astronautengezondheid en voor medisch onderzoek op aarde. De Foton-campagnes blijven van waarde omdat ze gecontroleerde microzwaartekracht-condities combineren met de mogelijkheid om fysieke monsters terug te halen voor diepgaande analyse.
Wat was de Belgische bijdrage?
België was met meerdere, door PRODEX en Belgische onderzoeksinstellingen gefinancierde projecten aan de missie betrokken. Concreet waren er ten minste drie PRODEX-gesubsidieerde Belgische experimenten aan boord van Foton-M3:
- FreqBone (KU Leuven, Prof. Jos Vander Sloten)
High-frequency low-amplitude loading als tegenmaatregel voor botverlies: FreqBone testte het principe dat lage amplitude, hoge frequentie mechanische trillingen botturnover stimuleren en zo botverlies in microzwaartekracht kunnen beperken. Hiervoor werden boviene bot-explantaten in een geautomatiseerde bioreactor blootgesteld aan dynamische beladingen tijdens de vlucht; de opzet was volledig autonoom en keerde met de capsule terug, zodat histologie, µCT en biochemische analyses op aarde konden worden uitgevoerd. Dit Belgische experiment werd gefinancierd via PRODEX en geleid vanuit KULeuven. De resultaten van opvolgonderzoeken verschenen later in peer-reviewed artikelen. - Radcells / RADCELLS (UGent, Prof. Van Oostveldt e.a.)
Stralingsschade aan bindweefsel/dermale fibroblasten: Dit experiment onderzocht de schadelijke effecten van kosmische straling op huidbindweefsel-cellen (fibroblasten). Door cellen onder microzwaartekracht bloot te stellen en ze tegelijk te vergelijken met centrifuge-controls, kon men proberen stralings-specifieke responsen op DNA-niveau en ontstekingsmarkers te isoleren. Belgische laboratoria verzorgden hier zowel opzet als post-vlucht analyses. - Osteogene / Osteo-gerelateerd onderzoek (KULeuven; Prof. Geert Carmeliet en collega’s), werking van osteoblasten/osteoclasten
Dit pakket van experimenten richtte zich op de cellulaire mechanismen achter botvorming en botafbraak (osteoblasten en osteoclasten) in gewichtloosheid, om zowel basale kennis als mogelijke therapeutische ingrepen te ondersteunen. Deze inspanningen waren nauw gekoppeld aan de Biobox-celexperimenten en pasten binnen de Belgische onderzoeksagenda rond musculoskeletale effecten van microzwaartekracht. - SCCO (Soret Coefficient in Crude Oils)
Verhaert Space bouwde (of integreerde) het SCCO-apparaat dat diende om diffusie- en Soret-effecten in mengsels/oliestalen te meten. SCCO bestond uit meerdere experimenteercellen (bijdragen kwamen ook van ULB, Université de Pau, Ryerson en Total) en onderzocht hoe temperatuurgradiënten concentratieverplaatsingen in vloeistoffen veroorzaken, kennis die relevant is voor het gedrag van reservoirs en mengsels onder verschillende omstandigheden. Verhaert verzorgde hier de instrumentele kant en de integratie.
Sinds de eerste Foton missies waarin ESA participeerde was het Belgische ruimtevaartbedrijf Verhaert Space uit Kruibeke een belangrijke partner en in 1992, 1995 en 1996 ontwikkelde het Belgische bedrijf de Biobox. Daarna ontwikkelde Verhaert Space het Fluidpac instrument dat 1999, 2002 en 2005 al eens de ruimte inging en tot op heden het grootste instrument is dat ooit met een Foton ruimtecapsule mee vloog. De ervaring die Verhaert Space opbouwde uit deze voorgaande missies zorgde er voor dat dit bedrijf de ideale partner was voor de ESA om enkele van de vele Europese ESA instrumenten te ontwikkelen. Voor deze Foton M3 missie werkte Verhaert Space mee aan de ontwikkeling van het GRADFLEX instrument en leidde het de ontwikkeling van de FREQBONE en Soret Coefficiënt in Crude Oils (SCCO) experimenten. In totaal bevonden zich in de Foton M3 ruimtecapsule 43 Europese experimenten en eenmaal terug op aarde werden deze experimenten meteen overgevlogen naar het ESA ESTEC centrum in Noordwijk waarna alle experimenten terugkeerden naar hun wetenschappelijke instellingen voor analyse.
Daarnaast waren Belgische onderzoeksinstellingen (universiteiten en onderzoekscentra, waaronder groepen verbonden aan PRODEX-financiering) sterk betrokken bij de voorbereiding, de operationele monitoring (vooral via ESA-faciliteiten) en bij de uitgebreide post-vlucht-analyse van monsters en gegevens. De Belgische bijdragen waren dus zowel technisch (hardware, bioreactoren, experimentmodules) als wetenschappelijk (ontwerp, uitvoering en analyse).
zich tal van experimenten bevinden - Foto: ESA
