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Im Verlauf der Mission wurden zahlreiche Versuche im [[Spacelab]] durchgeführt. Das aus Europa stammende Modul war bestückt mit dem Anthrorack (Humanmedizinische Versuche an Astronauten), dem Biolabor (Biologische Versuche), dem Werkstofflabor und weiteren Versuchsanlagen. Viele Experimente bauten auf denen der D1-Mission auf, waren jedoch zum Beispiel durch genauere Messverfahren verbessert worden.
 
Durch den Astronauten und Mediziner Dr. Bernard Harris wurde erstmals im Weltraum einem Astronauten (Hans Schlegel) ein [[intravenös]]er Zugang gelegt, durch den eine Kochsalzlösung injiziert wurde. Dies war Teil einer Studie, die das Ersetzen von aufgrund von Anpassung an die Schwerelosigkeit verlorener Flüssigkeit erforschen sollte. Andere Crewmitglieder nahmen daran ebenfalls teil.
 
Tests mit Rotex, einem von der Erde fernsteuerbaren Leichtbau-Roboterarm, waren sehr erfolgreich. Erstmals gelang es, ferngesteuert ein frei schwebendes Objekt einzufangen<ref>{{internetquelle |hrsg=DLR |url=http://www.dlr.de/rm/en/desktopdefault.aspx/tabid-3827/5969_read-8744/ |sprache=englisch |titel=Robot Technology Experiment on Spacelab D2-Mission |datum= |zugriff=15. Juli 2009}}</ref>.