Die Internationale Raumstation ist auf den ersten Blick ein ungewöhnlicher Ort für Forschung, die Menschen auf der Erde helfen soll. Sie fliegt rund 400 Kilometer über unseren Köpfen, ihre Besatzung schwebt durch die Module und schon ein vergleichsweise einfaches Experiment muss mit großem Aufwand ins All gebracht werden. Trotzdem wurden auf der ISS und ihren Vorgängern über Jahrzehnte Versuche durchgeführt, deren Ergebnisse weit über die Raumfahrt hinausreichen.

Der entscheidende Unterschied zu einem Labor auf der Erde ist die nahezu fehlende Schwerkraft. Sie lässt bestimmte Vorgänge sichtbar werden, die unter normalen Bedingungen von Auftrieb, Sedimentation oder dem Eigengewicht von Materialien überlagert werden. Gleichzeitig verändert sie den menschlichen Körper so deutlich, dass manche Prozesse wie Knochenabbau oder Muskelschwund in ungewöhnlich kurzer Zeit untersucht werden können.

Nicht aus jedem Experiment entsteht deshalb automatisch ein neues Medikament oder ein Produkt für den Alltag. Doch in einigen Fällen ist inzwischen nachweisbar, dass Forschung im All unmittelbar zu medizinischen oder technischen Entwicklungen beigetragen hat. Besonders eindrucksvoll wurde das 2025, als eine neue Darreichungsform eines Krebsmedikaments zugelassen wurde, deren Entwicklung auch auf Kristallisationsexperimenten auf der ISS beruhte.

Warum die Schwerelosigkeit ein besonderes Forschungslabor bietet

Streng genommen herrscht auf der ISS keine völlige Schwerelosigkeit. Die Station und alles in ihr befinden sich permanent im freien Fall um die Erde. Dadurch entsteht die sogenannte Mikrogravitation, in der die Auswirkungen der Schwerkraft auf viele Experimente extrem reduziert sind.

Das verändert erstaunlich viele Vorgänge. Auf der Erde sinken schwere Teilchen in Flüssigkeiten nach unten, leichtere Bestandteile steigen auf. Erwärmte Flüssigkeiten und Gase bewegen sich durch Konvektion. Geschmolzene Metalle werden von ihrem Eigengewicht beeinflusst. Eine Kerzenflamme streckt sich nach oben, weil heiße Verbrennungsgase aufsteigen.

Im Orbit fallen viele dieser Effekte weg oder werden stark abgeschwächt. Forscher können dadurch einzelne physikalische Vorgänge voneinander trennen, die sich auf der Erde kaum isolieren lassen. In der Materialforschung beispielsweise werden Auftrieb, Sedimentation und schwerkraftbedingte Strömungen stark reduziert. Dadurch lässt sich genauer beobachten, wie Wärme und Stoffe transportiert werden und wie beim Erstarren eines Materials dessen innere Struktur entsteht.

Genau darin liegt der wissenschaftliche Wert der Schwerelosigkeit. Das Weltall liefert nicht unbedingt völlig andere Naturgesetze. Es entfernt vielmehr einen Faktor, der auf der Erde praktisch immer vorhanden ist.

Wie Proteinkristalle aus dem Weltall bei der Entwicklung von Medikamenten helfen

Proteine gehören zu den kompliziertesten Molekülen des menschlichen Körpers. Ihre dreidimensionale Struktur bestimmt maßgeblich, wie sie funktionieren und wie Wirkstoffe an ihnen ansetzen können. Wer ein Medikament gezielt entwickeln möchte, muss deshalb häufig möglichst genau wissen, wie ein bestimmtes Protein aufgebaut ist.

Eine Möglichkeit besteht darin, Proteine zu kristallisieren und anschließend ihre Struktur zu untersuchen. Doch Proteinkristalle sind empfindlich. Auf der Erde können Sedimentation und Strömungen während des Wachstums die Kristallbildung beeinträchtigen. In Mikrogravitation entstehen unter geeigneten Bedingungen teilweise größere, gleichmäßigere oder besser geordnete Kristalle.

Schon auf Space-Shuttle-Flügen und der russischen Raumstation Mir zeigte sich, dass sich die Bedingungen im All für bestimmte Proteine eignen. Auf der ISS wurde die Proteinkristallisation anschließend zu einem der umfangreichsten Forschungsgebiete. Hunderte entsprechende Versuche wurden durchgeführt. Die Ergebnisse halfen unter anderem bei der Untersuchung von Proteinen, die mit Muskeldystrophie, Krebs und anderen Erkrankungen zusammenhängen.

Dabei ist wichtig, die Bedeutung solcher Experimente nicht zu übertreiben. Ein besserer Kristall ist noch kein Medikament. Er kann Forschern jedoch ermöglichen, die Struktur eines möglichen Angriffspunkts genauer zu erkennen und anschließend Wirkstoffe gezielter zu entwickeln oder bestehende Arzneimittel zu verbessern.

Was die ISS-Forschung zu einer neuen Form der Krebstherapie beigetragen hat

Wie konkret dieser Nutzen werden kann, zeigt Pembrolizumab. Der Wirkstoff ist ein monoklonaler Antikörper und wird unter anderem zur Behandlung verschiedener Krebsarten eingesetzt. Bekannt ist er vor allem unter dem Handelsnamen Keytruda.

Merck führte seit 2014 auf der ISS Untersuchungen zur Kristallisation monoklonaler Antikörper durch. Unter Mikrogravitation entstanden besonders gleichmäßige Kristallpopulationen. Die Experimente lieferten Erkenntnisse darüber, welche Größe und Verteilung der Partikel für hochkonzentrierte kristalline Suspensionen geeignet sein könnten.

Das war deshalb interessant, weil Pembrolizumab ursprünglich intravenös verabreicht wurde. Für eine Injektion unter die Haut muss der Wirkstoff dagegen in einer geeigneten hochkonzentrierten Form vorliegen.

Im September 2025 genehmigte die US-Arzneimittelbehörde FDA schließlich Keytruda Qlex, eine Kombination aus Pembrolizumab und Berahyaluronidase alfa zur subkutanen Injektion. Die ISS-Experimente waren nicht allein für die Entwicklung verantwortlich und ersetzten selbstverständlich weder klinische Studien noch die umfangreiche Arzneimittelprüfung. Sie lieferten jedoch frühe Erkenntnisse zur Kristallbildung und zur Entwicklung der später am Boden hergestellten Formulierung.

Damit gehört dieser Fall inzwischen zu den klarsten Beispielen dafür, wie Forschung in Schwerelosigkeit tatsächlich in eine medizinische Anwendung auf der Erde eingeflossen ist.

Was Astronauten über Knochen- und Muskelschwund verraten

Für einen Astronauten ist Schwerelosigkeit angenehm, für den menschlichen Bewegungsapparat jedoch problematisch. Knochen und Muskeln müssen den Körper nicht länger ständig gegen die Erdanziehungskraft stabilisieren. Der Organismus reagiert darauf erstaunlich schnell.

Besonders belastete Knochen können ohne Gegenmaßnahmen ungefähr ein Prozent ihrer Dichte pro Monat verlieren. Gleichzeitig bilden sich Muskeln zurück, weil sie wesentlich weniger beansprucht werden. Astronauten trainieren deshalb während langer ISS-Aufenthalte täglich intensiv mit Laufband, Fahrradergometer und Widerstandsgeräten.

Für die Raumfahrt ist die Forschung lebenswichtig. Wer nach einer langen Reise auf dem Mars landet, muss dort körperlich leistungsfähig sein und kann nicht erst monatelang rehabilitiert werden.

Doch die Vorgänge ähneln Problemen auf der Erde. Auch im Alter, während langer Bettlägerigkeit und bei Erkrankungen wie Osteoporose oder bestimmten Muskelerkrankungen gehen Knochen- und Muskelmasse verloren. Im All laufen einige dieser Veränderungen wesentlich schneller ab. Dadurch entsteht ein außergewöhnliches Modell, an dem Forscher untersuchen können, welche zellulären Prozesse den Abbau steuern und welche Gegenmaßnahmen wirken.

Versuche beschäftigen sich deshalb nicht nur mit Sportprogrammen, sondern auch mit Ernährung und Medikamenten. Bei Tierexperimenten wurden beispielsweise Signalwege untersucht, die gleichzeitig Knochen- und Muskelabbau beeinflussen. Andere aktuelle Experimente erforschen die Rolle des Entzündungsbotenstoffs IL-6 beim Knochenabbau. Solche Untersuchungen könnten langfristig sowohl Astronauten als auch Menschen mit alters- oder krankheitsbedingtem Knochenverlust zugutekommen.

Wie das Weltall die Erforschung von Alterung und Krankheiten beschleunigt

Die Parallelen gehen über Knochen und Muskeln hinaus. Raumfahrt kann Veränderungen des Immunsystems, der Gefäße, des Stoffwechsels und anderer biologischer Systeme hervorrufen, die teilweise Ähnlichkeiten mit Alterungsprozessen besitzen. Deshalb wird Mikrogravitation gelegentlich als eine Art beschleunigtes Modell bestimmter altersbedingter Veränderungen untersucht.

Das bedeutet nicht, dass Astronauten im klassischen Sinne schneller altern. Die biologischen Prozesse sind komplexer und nicht alle Veränderungen entsprechen denen eines älteren Menschen. Einige Reaktionen ähneln ihnen jedoch ausreichend, um bestimmte Mechanismen gezielt untersuchen zu können.

Besonders interessant sind sogenannte Tissue Chips. Auf kleinen Trägern werden menschliche Zellen so angeordnet, dass sie wichtige Eigenschaften eines Organs oder Gewebes nachbilden. Statt einen ganzen Menschen jahrelang zu beobachten, können Wissenschaftler verfolgen, wie Muskel-, Knochen-, Herz- oder andere Zellen auf die Bedingungen im All reagieren.

Solche Systeme werden beispielsweise eingesetzt, um Muskelabbau oder Veränderungen durch Strahlung und Mikrogravitation zu untersuchen. Bei einem Versuch mit menschlichem Muskelgewebe wurden Veränderungen in Genen festgestellt, die an Muskelwachstum und Stoffwechsel beteiligt sind.

Auch Krebszellen können sich in Schwerelosigkeit anders organisieren. In bestimmten Experimenten bilden Zellen dreidimensionale Strukturen, die Eigenschaften von Gewebe im menschlichen Körper besser nachbilden können als gewöhnliche flache Zellkulturen. Das macht die ISS zu einem zusätzlichen Werkzeug für die Erforschung von Tumorbiologie und möglichen Wirkstoffen.

Was Pflanzenversuche im All für Landwirtschaft und Ernährung bringen

Ein Salatkopf auf der ISS sieht zunächst eher wie Vorbereitung auf eine Marsmission aus als wie Forschung für die Erde. Tatsächlich steht genau dieses Ziel im Vordergrund. Astronauten auf langen Reisen werden sich nicht ausschließlich auf Lebensmittel verlassen können, die Jahre zuvor auf der Erde verpackt wurden. Pflanzen könnten Nahrung liefern, Sauerstoff erzeugen und Bestandteile geschlossener Lebenserhaltungssysteme werden.

Auf der ISS wurden deshalb unter anderem Salate, Senf, Kohl, Radieschen, Tomaten und Chilischoten angebaut. Dabei untersuchen Wissenschaftler Lichtverhältnisse, Bewässerung, Nährstoffe, Mikroorganismen und genetische Reaktionen der Pflanzen.

Gerade die Bewässerung ist in Schwerelosigkeit eine Herausforderung. Wasser fließt nicht einfach nach unten in den Boden. Oberflächenspannung und Kapillarkräfte gewinnen an Bedeutung. Raumfahrtforscher mussten deshalb Systeme entwickeln, die Wasser und Sauerstoff kontrolliert zu den Wurzeln transportieren.

Für die Landwirtschaft auf der Erde sind die Ergebnisse nicht automatisch revolutionär. Doch viele Fragestellungen überschneiden sich mit moderner Landwirtschaft in geschlossenen Umgebungen: Wie viel Wasser benötigt eine Pflanze wirklich? Welche Lichtzusammensetzung führt bei geringem Energieverbrauch zu hohem Ertrag? Wie verändert Stress den Nährstoffgehalt? Welche Rolle spielt das Mikrobiom einer Nutzpflanze?

NASA untersucht ausdrücklich, ob Erkenntnisse aus solchen Versuchen beispielsweise die kontrollierte Pflanzenproduktion, die Ernährung von Nutzpflanzen und die Lebensmittelsicherheit auf der Erde verbessern können.

Neuere Experimente gehen noch weiter. Bei Veg-06 wird beispielsweise untersucht, wie Pflanzen und stickstoffbindende Bakterien in Mikrogravitation zusammenarbeiten. Solche symbiotischen Beziehungen sind auch für eine Landwirtschaft interessant, die mit weniger Kunstdünger auskommen soll. Ob daraus konkrete Verfahren für den großflächigen Anbau entstehen, ist jedoch noch offen.

Wie sich Flüssigkeiten und Materialien ohne Schwerkraft verhalten

Ein großer Teil der Weltraumforschung führt nicht unmittelbar zu einem Produkt, sondern zu besseren physikalischen Modellen. Das klingt weniger spektakulär, kann für die Industrie aber ausgesprochen wertvoll sein.

Viele technische Materialien entstehen aus Flüssigkeiten oder Schmelzen. Beim Erstarren entscheidet der Transport von Wärme und chemischen Bestandteilen darüber, welche innere Struktur entsteht. Diese Mikrostruktur beeinflusst wiederum Härte, Festigkeit, Bruchverhalten oder Hitzebeständigkeit.

Auf der Erde bewegen sich Schmelzen aufgrund von Temperatur- und Dichteunterschieden. In Schwerelosigkeit lassen sich solche Strömungen stark reduzieren. Forscher können deshalb genauer untersuchen, welche Vorgänge tatsächlich für die Bildung bestimmter Strukturen verantwortlich sind.

Auf der ISS wurden unter anderem Metalllegierungen, Halbleiter, Gläser, Keramiken und kolloidale Systeme untersucht. Die Ergebnisse fließen beispielsweise in mathematische Modelle ein, mit denen industrielle Herstellungsprozesse auf der Erde besser vorhergesagt und kontrolliert werden können.

Ein Beispiel betrifft Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis, wie sie unter anderem in Turbinen eingesetzt werden. In Schwerelosigkeit konnten thermophysikalische Eigenschaften bestimmter Legierungen genauer bestimmt werden, weil Proben berührungslos schweben und geschmolzen werden können. Solche Daten verbessern Computermodelle für industrielle Fertigungsprozesse.

Selbst scheinbar gewöhnliche Produkte können von Grundlagenforschung an Flüssigkeiten profitieren. Unternehmen untersuchten auf der ISS sogenannte Kolloide, also Gemische winziger Teilchen in Flüssigkeiten. Vergleichbare Systeme finden sich beispielsweise in Medikamenten, Shampoo, Zahnpasta oder Lebensmitteln. Die fehlende Sedimentation ermöglicht es, über lange Zeit zu beobachten, wie sich solche Gemische organisieren und verändern.

Was Experimente mit Feuer im Weltall über Verbrennung und Brandschutz zeigen

Eine Flamme auf der Erde wird ständig durch die Schwerkraft geprägt. Heiße Gase steigen auf, kühlere Luft strömt von unten nach und die bekannte längliche Flammenform entsteht.

In Schwerelosigkeit fehlt diese natürliche Konvektion weitgehend. Kleine Flammen werden daher häufig annähernd kugelförmig. Brennstoff und Sauerstoff vermischen sich anders, und Verbrennungsprozesse können untersucht werden, ohne dass Auftrieb den Ablauf dominiert.

Das führte sogar zu einer überraschenden Entdeckung. Bei Experimenten mit Brennstofftröpfchen schien eine Flamme bereits erloschen zu sein, obwohl der Brennstoff bei deutlich niedrigeren Temperaturen unsichtbar weiterreagierte. Diese sogenannten kühlen Flammen eröffneten Forschern einen besseren Blick auf chemische Reaktionswege, die auch bei technischen Verbrennungsprozessen eine Rolle spielen.

Andere Versuche untersuchen, wie sich Feuer entlang fester Materialien ausbreitet. Dafür wurden unter anderem Experimente in ausgedienten Cygnus-Raumfrachtern durchgeführt. Weil sich keine Menschen mehr an Bord befanden, konnten größere Brände ausgelöst werden, als dies innerhalb der ISS vertretbar wäre.

Die Ergebnisse dienen in erster Linie der Sicherheit künftiger Raumfahrzeuge. Sie können aber auch Verbrennungsmodelle, Materialprüfungen und das Verständnis von Flammenausbreitung auf der Erde verbessern. Forschungen zu Feuer in engen Räumen liefern beispielsweise Erkenntnisse darüber, wie Wände und begrenzte Geometrien das Wachstum oder Erlöschen einer Flamme beeinflussen.

Welche Weltraumexperimente bereits Anwendungen auf der Erde gefunden haben

Der Nutzen der Forschung in Schwerelosigkeit lässt sich deshalb nicht mit einer einzigen Zahl ausdrücken. Manche Ergebnisse bleiben Grundlagenwissen. Andere verbessern bestehende Verfahren. Einige führen tatsächlich zu konkreten Anwendungen.

Die neue subkutane Form von Pembrolizumab gehört inzwischen zu den anschaulichsten medizinischen Beispielen. Proteinexperimente im All halfen bei der Entwicklung einer Formulierung, die eine bislang intravenös verabreichte Krebstherapie auch als Injektion unter die Haut ermöglicht.

Die Erforschung von Knochen- und Muskelschwund hat das Verständnis darüber verbessert, wie mechanische Belastung, Training, Ernährung und bestimmte biologische Signalwege diese Gewebe beeinflussen. Weil vergleichbare Probleme bei Osteoporose, Alterung und Immobilität auftreten, werden dieselben Mechanismen auch für Therapien auf der Erde untersucht.

Materialexperimente liefern präzisere Daten für Legierungen und bessere Modelle industrieller Erstarrungsprozesse. Untersuchungen von Kolloiden wurden von Unternehmen genutzt, die Produkte entwickeln, bei denen sich winzige Teilchen möglichst gleichmäßig in Flüssigkeiten verteilen sollen.

Auch Technologien, die ursprünglich nötig waren, um überhaupt Forschung und Leben auf der ISS zu ermöglichen, fanden Anwendungen außerhalb der Raumfahrt. Wasseraufbereitung, Sensorik, Robotik und andere Systeme gehören zu diesem größeren Technologietransfer. Sie sind allerdings von der eigentlichen Mikrogravitationsforschung zu unterscheiden: Nicht alles, was von der ISS profitiert, wurde dort als Experiment entdeckt.

Wo der Nutzen der Forschung im Weltall noch nicht eindeutig belegt ist

Bei aller Faszination hat Forschung in Schwerelosigkeit einen entscheidenden Nachteil: Sie ist aufwendig und teuer. Experimente müssen für den Raumflug entwickelt, getestet, gestartet und häufig wieder zur Erde zurückgebracht werden. Der verfügbare Platz ist begrenzt und die Zahl der Versuchsdurchläufe oft wesentlich kleiner als in einem gewöhnlichen Labor.

Hinzu kommt, dass ein interessantes Ergebnis im All nicht automatisch bedeutet, dass eine wirtschaftlich sinnvolle Anwendung entsteht. Besonders in der Pharmaforschung gibt es viele Beispiele für vielversprechende Proteinstrukturen oder biologische Beobachtungen, aus denen noch kein zugelassenes Medikament hervorgegangen ist. Auch bei Pflanzen-, Alterungs- und Materialexperimenten handelt es sich vielfach um Grundlagenforschung oder um mögliche Anwendungen, deren praktischer Nutzen erst noch nachgewiesen werden muss.

Selbst bei der Proteinkristallisation funktioniert Mikrogravitation nicht für jedes Protein automatisch besser. Die Bedingungen können Vorteile bieten, aber Ergebnisse hängen stark von Molekül, Verfahren und Versuchsanordnung ab. Forschung im All ist deshalb kein universeller Ersatz für Laborarbeit auf der Erde, sondern ein zusätzliches Werkzeug.

Genau darin liegt möglicherweise ihre größte Bedeutung. Die ISS ermöglicht Forschern, vertraute Vorgänge unter ungewöhnlichen Bedingungen zu betrachten. Sie können die Schwerkraft aus einem Experiment weitgehend herausnehmen und beobachten, was übrig bleibt. Sie können Knochenabbau studieren, der sonst Jahre dauern würde, Flammen ohne den üblichen Auftrieb beobachten oder Kristalle wachsen lassen, ohne dass sie ständig durch Sedimentation und Strömungen gestört werden.

Nicht jedes dieser Experimente wird den Alltag verändern. Einige haben es bereits getan. Andere liefern zunächst nur ein Stück Wissen, dessen Bedeutung vielleicht erst Jahre später sichtbar wird. Die wichtigste Errungenschaft des Labors im Orbit ist deshalb weniger eine Liste spektakulärer Weltraumerfindungen als etwas Grundsätzlicheres: Für einige Fragen bietet die Erde selbst nicht die besten Bedingungen, um sie zu beantworten.

Quellen
▪︎ NASA – Space Station Research Informs New FDA-Approved Cancer Therapy
▪︎ U.S. Food and Drug Administration – Zulassung von Pembrolizumab und Berahyaluronidase alfa zur subkutanen Injektion
▪︎ NASA – Creating New and Better Drugs with Protein Crystal Growth Experiments
▪︎ NASA – Crystallizing Proteins in Space Helping to Identify Potential Treatments for Diseases
▪︎ NASA – Counteracting Bone and Muscle Loss in Microgravity
▪︎ NASA Biological and Physical Sciences – Microgravity Associated Bone Loss
▪︎ NASA – Station Science 101: Plant Research
▪︎ NASA Biological and Physical Sciences – Plant Biology Program
▪︎ NASA Biological and Physical Sciences – Veg-06
▪︎ NASA – A Researcher’s Guide to Microgravity Materials Research
▪︎ NASA Biological and Physical Sciences – Materials Science
▪︎ NASA – From Outpost to Orbiting Laboratory
▪︎ NASA – Studying Combustion and Fire Safety
▪︎ ESA – A cell’s-eye view of altered gravity and ageing
▪︎ DLR – Deutsche Forschungsziele und Nutzung von Columbus