Evropský program pro živé a fyzikální vědy ve vesmíru - European Programme for Life and Physical Sciences in Space

ELIPS - Evropský program pro živé a fyzikální vědy ve vesmíru a aplikace využívající Mezinárodní vesmírnou stanici byl zahájen v roce 2001 a byl určen k pokrytí aktivit na následujících 5 let. Tento program mikrogravitace v Evropské kosmické agentuře (ESA) je volitelný program, kterého se v současné době účastní 17 členských států ESA. Program ELIPS připravuje a provádí výzkum na Mezinárodní vesmírné stanici a dalších bezpilotních misijních platformách, jako jsou Sounding Rockets, v základních a aplikovaných vědách o životě a fyzice. ELIPS je pokračováním dřívějších evropských programů pro mikrogravitaci EMIR 1 a 2 a zařízení pro mikrogravitaci pro Columbus, MFC.

ELIPS

ELIPS (European LIfe and Physical Science in Space) je výzkumný program Evropské vesmírné agentury (ESA) pro vědu a aplikace ve vesmíru. Většina experimentů se provádí na Mezinárodní vesmírné stanici, ale využívá se i další platforma misí, která může poskytnout beztíže během kratších nebo delších časů, jako jsou věže, parabolické lety, znějící rakety a robotické orbitální kapsle. V rámci přípravy na budoucí lidský průzkum vesmíru se provádějí různá pozemní vyšetřování, zejména studie odpočinku na lůžku, izolační studie („analogy“) a výzkum biologických účinků záření v zařízeních iontového paprsku.

Hlavními oblastmi výzkumu jsou fyzika tekutin, materiálové vědy, základní fyzika, fyziologie , biologie a exobiologie . Během jednoho roku se na ISS provede zhruba třicet experimentů podporovaných ELIPS a na všech platformách je celkem asi sto vyšetřování. Celkově je do programu ELIPS zapojeno asi 1 500 vědců. Krátké popisy a výsledky všech experimentů jsou archivovány a jsou k dispozici v Erasmus Experiment Archive (EEA).

ELIPS je volitelný program v rámci ESA, který přijímá předplatné 15 zúčastněných členských států na radách ESA na ministerské úrovni a probíhá každé tři až čtyři roky. V současné době běží ELIPS 4 pokrývající období 2013-2016. Období ELIPS 4 byl poskytnut rozpočet ve výši 210, - EUR. Zúčastněnými zeměmi jsou Rakousko, Belgie, Česká republika, Dánsko, Francie, Německo, Řecko, Irsko, Itálie, Norsko, Nizozemsko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Spojené království, Rumunsko a Kanada prostřednictvím dohody o spolupráci s ESA. Očekává se, že příští ministerská rada se uskuteční v roce 2016.

Dějiny

Program ELIPS byl definován v roce 2001 a měl pokrývat činnosti následujících 5 let. Program ELIPS připravuje a provádí výzkum na Mezinárodní vesmírné stanici a na bezpilotních misijních platformách, jako jsou Sounding Rockets, v základních a aplikovaných vědách o životě a fyzice. ELIPS je pokračováním počátečních evropských programů pro mikrogravitaci EMIR 1 a 2 a zařízení pro mikrogravitaci pro Columbus , MFC.

Od prvního programu ESA pro mikrogravitaci po EMIR 1 a 2 a program MFC

Kolem roku 1980 se evidentní praktickou překážkou stal nedostatek soudržné evropské strategie pro rozvoj výzkumu mikrogravitace. Nedostatek koordinace financování nebyl životaschopným řešením pro let nad první misi Spacelab . Řešením se stal návrh ESA pro její delegace na vytvoření programu výzkumu mikrogravitace. V lednu 1982 byla fáze 1 tohoto programu realitou, která měla financovat tři nákladná a nezbytná zařízení pro více uživatelů - pro biologii, fyziku tekutin a jako další program létání prvních znějících raket pod koordinací ESA. V únoru 1985 delegace schválily fázi 2 mikrogravitačního programu, od nynějška nazvaného Evropský program pro mikrogravitaci 1 nebo EMIR-1. První období financování zahrnovalo 4 roky, se dvěma prodlouženími provedenými v letech 1988 a 1991, což v podstatě poskytovalo celkový balíček financování do roku 1999. EMIR-1 tedy účinně zahrnoval období 15 let.

Cílem EMIR-2 bylo pokrýt výzkumné činnosti až do zahájení používání Mezinárodní vesmírné stanice, v té době se předpokládalo zahájení v roce 2001. Schváleno bylo pouze částečně v roce 1995, což vedlo ke snížení úrovně aktivity pro nadcházející mnoho let. Vzhledem k tomu, že zahájení využívání ISS bylo odloženo, musely být prostředky nataženy, což vedlo k výrazně nižšímu provedení experimentu, než tomu bylo v polovině 90. let.

Původně 12,8 metrů dlouhý modul Columbus - hlavní příspěvek ESA k ISS - byl z nákladových důvodů postupně snížen na polovinu - 6,4 metru. Navíc barterová dohoda s NASA udržovala 51% zdrojů Columbusu pro ESA, zbytek bude k dispozici pro použití NASA, na základě dohody o využití. Důsledkem těchto opatření bylo, že ESA mohla umístit čtyři zařízení pro mikrogravitaci v Columbusu, zařízení pro mikrogravitaci pro Columbus nebo MFC. Program MFC byl schválen společně s programem Columbus v září 1995 a poskytl sadu výzkumných zařízení Columbus, Biolab , Fluid Science Laboratory (FLS), Material Science Laboratory (MSL), spolu s první dávkou experimentů.

Souběžně s tímto vývojem byla ruská vesmírná stanice MIR postupně stále více využívána mezinárodními partnery a jako taková tvořila základní základnu pro budování zkušeností, při přípravě výstavby a využívání nadcházející Mezinárodní vesmírné stanice ISS.

Cíle programu ELIPS

Program ELIPS je základním programem k zajištění toho, aby evropské investice do rozvoje a využívání ISS vedly k široké škále vědeckých výsledků. Program ELIPS podporuje globální spolupráci, udržuje a posiluje mezinárodní zájem o výzkum a vzájemná hodnocení. ELIPS také podporuje evropskou koordinaci, pokud jde o rozvoj zařízení a využívání zdrojů. Zpočátku bylo v té době nezávislými kolegy doporučeno celkem 229 návrhů experimentů, které byly umístěny v databázi experimentů ESA Human Spaceflight. V těchto návrzích bylo uvedeno více než 1000 evropských vědců a téměř 125 evropských mimoprostorových společností zabývajících se výzkumem a vývojem.

Až do začátku éry Mezinárodní vesmírné stanice pocházely evropské experimentální činnosti buď z Evropské vesmírné agentury, ESA, nebo z těch evropských zemí, které měly nezávislé národní vesmírné programy. Experimenty byly prováděny buď na palubě raketoplánu NASA na konkrétních misích Spacelab a Spacehab , nebo později - od začátku 90. let - jako užitečné zatížení na palubě ruské kosmické lodi. Hlavním zařízením druhé z nich se stala ruská kosmická stanice Mir, která obíhala kolem Země po dobu 15 let, ale také ruská bezpilotní Foton (v rané fázi s názvem Bion (satelitní) satelitní programy) využívala ESA. byly upraveny řadou memorand o porozumění a smluv, které stanoví podmínky, za kterých bude určitá mise prováděna, práva a povinnosti partnerů atd.

S érou ISS začínající kolem roku 2001 byl vlastní vědecký program využití ESA a aspekty infrastruktury rozdělen do dvou souvisejících, ale na základě rozhodnutí nezávislých programů. ELIPS se stal vědeckým programem, zatímco ISS Exploitation Program se zabývá všemi systémovými a provozními aspekty používání ISS. V rámci rozpočtu na program těžby byly ESA vytvořeny hlavní prvky jako klíčové příspěvky k ISS. Klíčovým příspěvkem tedy bylo vozidlo s automatickým přenosem (ATV), laboratoř Columbus a další barterový prvek Node 2 a prvek Cupola .

Hlavním příspěvkem ESA k Mezinárodní vesmírné stanici je evropský laboratorní modul Columbus. To bylo připojeno k ISS 11. února 2008 během mise STS-122 , se dvěma zúčastněnými evropskými astronauty: Leopold Eyharts a Hans Schlegel . Tímto mezníkem získala ESA svá práva na plné využití ISS, což je 8,3% neruské části stanice.

Výzkumný plán definující program ELIPS

ESA se rozhodla kolem roku 2000 sladit výzkumný program v biologických a přírodních vědách s programem ES. Rámcový program ES byl základním modelem pro budoucí výzkumný přístup ESA, zejména pokud jde o internacionalizaci výzkumných týmů, ačkoli proces výběru a kritéria výběru se v některých bodech výrazně lišila od kritérií ES. Výsledkem je, že společný jmenovatel mezi cíli a prostředky, které má ESA, a obecnými cíli ES lze nalézt pod nadpisy: Zlepšení zdraví, Průmyslový rozvoj a Péče o životní prostředí.

Schopnosti ESA v těchto oblastech byly definovány jako kombinovaná implementace pozemních referenčních experimentů a činností s těmi, které byly implementovány na palubě ISS.

Aspekty zlepšování zdraví jsou řešeny jako součást výzkumu fyziologie a biologie člověka souvisejícího s činnostmi ISS,

Průmyslový rozvoj je reprezentován jako téma v základu pro projekty propagace mikrogravitací (MAP), které ESA provozuje již více než deset let, a to ve formě formování týmu mezi univerzitními vědci, průmyslovým výzkumem a ESA.

Péče o životní prostředí do značné míry souvisí s pozorováním Země, pro které ISS nabízí dobrou platformu.

Evropský výzkumný plán

Do definice programu ELIPS nebyl definován žádný evropský výzkumný plán pro provádění výzkumu Evropskou kosmickou agenturou v rámci programu s posádkou. Výzkumný plán byl vypracován na základě řady kritérií, přičemž jedním z nich je obecný soubor základních témat: Počínaje programem ELIPS by tedy návrh měl v zásadě spadat do jedné z následujících strategicky definovaných hlavních kategorií:

  • Za poznáním přírody
  • Zlepšení zdraví
  • Inovační technologie a procesy
  • Péče o životní prostředí

Pod těmito strategickými hlavičkami se přirozeně objevuje šest hlavních oblastí výzkumu ve vztahu k výzkumnému zaměření ESA a v těchto disciplínách je identifikováno čtrnáct takzvaných základních kamenů:

  • Základní fyzika

- Prozkoumat složitou fyziku plazmatu a prachových částic se zvláštním důrazem na pochopení trojrozměrného chování částic v plazmě reprodukujících základní molekulární jevy a agregačních procesů ve vakuu nebo atmosférickém prostředí vyžadujících beztíže.

- Studujte studené atomy a kvantové tekutiny , se zvláštním významem věnovaným vývoji a využití hodin studeného atomu ve vesmíru, které mohou dosáhnout úrovně přesnosti nedosažitelné na Zemi.

  • Fyzika tekutin a spalování

- Studujte strukturu a dynamiku tekutin a vícefázových systémů , jako jsou kritické tekutiny, binární a ternární systémy a granulované materiály, které nejsou v makroskopickém měřítku v gravitačním poli Země uniformní . Zvláštní pozornost má také proudění tekutin v centrální geometrii a vývoj vícesložkových systémů, jako jsou pěny a emulze.

- Proveďte spalovací experimenty s plynem, kapalnými nebo pevnými palivy, abyste kvantitativně zkoumali jevy superponované na Zemi vztlakovou konvekcí.

  • Vědy o materiálech

- Měření termofyzikálních vlastností kapalných kovů využije možnosti zpracování vzorků bez kontejnerů za podmínek dosažitelných pouze za stavu beztíže.

- Eliminováním účinků vyvolaných gravitací lze z experimentů ve vesmíru získat nové materiály a procesy . To zahrnuje pochopení mechanismů růstu krystalů a tuhnutí kovů, anorganických a organických materiálů a biologických makromolekul.

  • Fyziologie

- V oblasti integrované fyziologie studujte účinky nízké gravitace a dalších extrémních podmínek na celotělové předpisy, např. V kardiovaskulárních respiračních a senzoromotorických systémech.

- Využít podmínek snížené gravitace k poznání účinků zátěže na funkční prvky fyziologie svalů a kostí , např. Svalové atrofie a obratu kostní hmoty.

- Porozumět v oblasti neurovědy účinkům gravitace na kontrolu držení těla, pohybu a poznání.

  • Astro / exobiologie a planetární průzkum

- V oblasti původu, evoluce a distribuce života studujte přežití organismů v extrémních podmínkách na Zemi, ve vesmíru a (simulovaném) planetárním prostředí.

- V rámci Přípravy na lidský planetární průzkum kvantifikujte účinky dávek záření a prozkoumejte dopad izolace ve vysoce stresujícím prostředí na člověka. Kromě toho vyvinout vědeckou znalostní základnu pro identifikaci a využití zdrojů in-situ. Studujte také podporu života pro dlouhodobé planetární mise.

  • Biologie

- Zkoumat v oblasti buněčné a vývojové biologie účinky změněného gravitačního prostředí na vývoj buňky a celého organismu, včetně reprodukce, se zvláštním důrazem na signální transdukci, genovou expresi a nervový vývoj.

- Studium mechanosenzorických prvků fyziologie rostlin , např. Genů a proteinů, zapojených do gravitropismu.

- V oblasti biotechnologických studií za podmínek beztíže transmembránového a intracelulárního toku mediátorů kontrolujících buněčnou sílu a diferenciaci, jakož i interakci buněčné matice.

Výběrový proces

Program ELIPS pokrývá všechny aspekty výběru, vyvíjí potřebný hardware a poskytuje letové příležitosti pro experimenty. Při definování vědeckých priorit v rámci programu ELIPS se ESA řídí nezávislými odborníky ve svých poradních výborech i Evropskou vědeckou nadací (ESF). Na základě těchto diskusí ESF doporučil návrh programu ELIPS a základní výzkumný plán. Proces výběru jednotlivých experimentů nebo projektů začíná vyhrazenými výzvami ESA vědecké komunitě k předložení návrhů. Toto se nazývá oznámení příležitostí (AO). Poslední velká AO pro ISS byla v roce 2009, kdy byla ta pro experimenty v biologických vědách mezinárodně koordinována s NASA , JAXA a CSA a pojmenována ILSRA-09 (International Life Science Research Announcement). Souběžně vydala ESA AO-2009 pro fyzikální vědy o ISS a fyzikální / celoživotní experimenty na Zvukových raketách. U některých méně komplikovaných platforem, jako jsou padací věže a parabolické lety, je společnost ELIPS otevřena přijímat návrhy kdykoli. Návrhy na výzkum jsou vědecky hodnoceny nezávislými odborníky ( peer review ) a pokud jsou shledány příznivě, provede se počáteční posouzení proveditelnosti. Celkově úspěšní kandidáti jsou předáni programové radě ESA pro lidský vesmírný let, mikrogravitaci a průzkum k formálnímu výběru do výzkumného fondu projektů ELIPS.

Implementace

Experimenty pro projekty vybrané do fondu ELIPS jsou implementovány, jakmile to bude praktické, což do značné míry závisí na složitosti a ceně experimentu. U experimentů na ISS obvykle trvá několik let od výběru až po realizaci, v několika případech až deset let. Experimentální hardware je obvykle poskytován programem ELIPS, zatímco zúčastnění vědci musí pro sebe najít prostředky z národních zdrojů. ESA je dále odpovědná za veškerou dopravu do vesmíru, provozní náklady a prostředky posádky (pokud jsou na ISS). Stále častěji velké nebo složité experimenty jsou často vyhledávány pro spolupráci s dalšími partnery ISS (tj. NASA , JAXA , CSA nebo Roscosmos ), zejména pro velké nebo složité experimenty.

Surová a kalibrovaná data z provedených experimentů jsou poskytována vědcům k analýzám; prvotní a kalibrovaná data však formálně zůstávají majetkem ESA, zatímco zpracovaná data se stávají majetkem vědců.

Zařízení ISS

Za účelem podpory předpokládaných oblastí výzkumu na ISS vybudovala ESA několik laboratorních zařízení. Mezi hlavní patří Biolab , Fluid Science Laboratory (FSL), Material Science Laboratory (MSL), European Physiology Modules (EPM) a European Drawer Rack (EDR). Na základě barterové smlouvy byly poskytnuty NASA Microgravity Science Glovebox (MSG) a Minus Eighty-Degree Laboratory Freezer for ISS (MELFI). Pro vědeckou expozici mimo ISS poskytla ESA v únoru 2008 společnosti Columbus European Technology Exposure Facility a (EuTEF) SOLAR spolu s Columbusem a po 18 měsících byla vrácena.

Zařízení byla postavena jako zařízení pro více uživatelů a z tohoto důvodu poskytuje značnou míru přizpůsobivosti a flexibility pro jednotlivé experimenty.

Zařízení pro fyzikální vědy a biologii obvykle nabízejí ubytování na zakázku vyrobených experimentálních modulů v závislosti na vědeckých cílech. Pro fyziologii je umístěna sada nástrojů.

Pro výzkum v oblasti materiálových věd jsou obvykle zapotřebí pece, které umožňují tavení a tuhnutí vzorků materiálů, zatímco výzkum v oblasti tekutých věd ve větší míře vyžaduje na palubě sofistikovanou zobrazovací technologii pro monitorování tekutin in situ, pokud jsou k dispozici předem stanovené impulsy a různé podněty. vzhledem ke vzorku tekutiny.

Biologické vzorky typicky potřebují prostředí s řízenou teplotou, a to jak před vyšetřováním, tak i po něm a poté, co jsou vyšetřovány nebo zpracovávány, a např. Rostlinný materiál obvykle potřebuje řízenou atmosféru, pokud jde o kvalitu světla i složení plynu. Biologický výzkum v těchto poloautomatických nastaveních dále vyžaduje systém nakládání s odpady a jejich kontrolu.

Výzkum v oblasti fyziologie člověka s posádkou na palubě jako testovanými subjekty vyžaduje určité specifické měřicí a stimulační vybavení. Řada takových víceuživatelských modulů je zahrnuta v zařízení EPM, zatímco pro specifické použití a nastavení bylo vytvořeno další zařízení specifické pro experiment. Nakonec NASA nainstalovala Human Research Facility 1 & 2 (HRF-1 & 2) v Columbusu v rámci spolupráce s ESA. ESA také nasadila kardio-respirační nástroje v HRF-2 a v laboratoři Destiny NASA

Jednou z obecných dohod mezi agenturami je zamezit duplikaci vybavení a současně by existovaly dostatečné záložní možnosti. Toto uspořádání řídily dva argumenty, a to 1) že vybavení pro vesmírné použití je velmi nákladné a časově náročné pro definování a výrobu a 2) že bylo pochopeno, že čas a fyzické zdroje za všech okolností by představovaly významné omezení na palubě ISS tak, aby byl podporován přístup založený na spolupráci.

ELIPS financuje projekty založené na vesmíru i Zemi

Podle původního návrhu programu ELIPS z roku 2001 bylo navrženo zjednodušení již existujících vědeckých činností. Účelem bylo posílit synergický účinek mezi těmito různorodými, ale v zásadě souvisejícími činnostmi, a také se tvrdilo, že dobrým vesmírným experimentům musí bezpodmínečně předcházet důkladné pozemní experimenty, stejně jako proces vzájemného hodnocení by měl skóre dobře připravené a dobře financované experimenty vyšší než experimenty postavené pouze na nekonsolidované hypotéze. Navrhované činnosti k vytvoření celkového subjektu v rámci programu ELIPS a uvažování o financování jako takové byly:

  • Krátkodobé experimenty beztíže v evropských Drop Towers (až 4,7 s přirozená beztíže a katapultovaná až na více než 9 sekund)
  • Krátkodobé experimenty beztíže na parabolických letech na palubě letadla (období beztíže v řádu 20 sekund). Takové lety obvykle používají opakující se paraboly až 30 za jeden den.
  • Krátkodobé experimenty beztíže na palubě takzvaných Sounding Rocket kampaní od ESRANGE ve švédské Kiruně (období beztíže mezi 6 a 10 minutami, v závislosti na typu rakety).
  • Přístup k evropským pozemním zařízením jedinečného charakteru, jako jsou např. Odstředivka, urychlovač a radiační zařízení
  • Izolační studie pozemních analogů, jako je experiment Mars500 simulující kompletní vesmírnou misi na Mars a využívající stanici Concordia v Antarktidě.

Dále bylo navrženo pokračovat v podpoře projektů mikrogravitačních aplikací (MAP), soukromého a veřejného partnerství mezi průmyslem, univerzitami a ESA, které byly původně financovány v rámci programu EMIR. a aktivity tematického týmu , které obecně podporovaly aktivity vědeckých uskupení navržených a vybraných ESA k financování.

Program ELIPS dnes

V roce 2010 byly výsledky posledního oznámení o výzkumu v oblasti přírodních věd a fyzikálních věd formálně schváleny radou Human Spaceflight, Microgravity and Exploration Program Board (PB-HME). Výsledky výběru byly hlášeny od stránky 8 v časopise Human Spaceflight Science Newsletter, září 2010 . K červnu 2011 je ve „výzkumném fondu“ celkem 258 experimentů, z toho 163 pro experimenty ve vesmíru a zbytek pro pozemní přípravné experimenty.

Reference

externí odkazy