La ISS dispondrá de seis módulos de laboratorios dedicados, además de estructuras externas y lugares de experimentación "expuesta" (en el espacio exterior) para albergar una gran cantidad de equipamiento de investigación tecnológica, científica y espacial.

  Esquema del módulo de laboratotio americano (US Lab)

El largo tiempo durante el cual se llevarán a cabo estas investigaciones permitirá adquirir una gran cantidad de datos necesarios para validar nuevos conceptos y descubrir fenómenos no observados anteriormente. Los investigadores podrán llevar a cabo una gran sucesión de experimentos a fin de obtener datos estadísticamente significativos en semanas (incluso días), en vez de en años, como hasta ahora.

Sea mejorando procesos industriales, incrementando el nivel del conocimiento humano, obteniendo mejoras para la salud, y posibilitando un gran campo de investigación y experimentación, la ISS generará beneficios concretos, tanto para la vida humana en la Tierra como en el espacio.

Los campos a que se dirigirá principalmente la investigación en la ISS son:
 
   

A medida que la humanidad se aproxima a Marte, resulta fundamental poner los medios para combatir los efectos debilitadores de la larga exposición a la microgravedad para el organismo humano, como descalcificación de los huesos, atrofia muscular, y alteraciones en el sistema inmunológico. De alguna forma, similares al proceso de envejecimiento en la propia Tierra.

La investigación biológica en la ISS tratará de encontrar contramedidas y soluciones para éstos y otros problemas médicos, así como estudiar otros tipos de fenómenos biológicos. En concreto, los experimentos que se llevarán a cabo a este respecto en la ISS se centrarán en:
 

- Respuesta fisiológica al vuelo espacial.
- Salud humana y rendimiento.
- Desarrollo de contramedidas a la microgravedad.
- Investigación general en Biología.

Los laboratorios de investigación americano, europeo, ruso y japonés tendrán todo tipo de facilidades para llevar a cabo estudios de este tipo.

Equipo de investigación humana: Dos bastidores de experimentos albergarán el equipamiento necesario. Está siendo diseñado para vigilar la salud de la tripulación y analizar cómo responde y se adapta el cuerpo humano a la microgravedad. Los parámetros corporales de la tripulación (presión sanguínea, velocidad del corazón...) serán monitorizados y analizados constantemente. Otros sistemas del equipo serán, por ejemplo:
 

 - Analizador de gases para analizar el aire inhalado y exhalado de la tripulación y determinar su composición.
 - Dinamómetro para medir la potencia mecánica de los músculos de los brazos.
 - Dispositivos de medida de masa, para calcular la masa exacta de cada miembro de la tripulación.
 - Instrumental sencillo para muestras de orina y sangre, evaluar la velocidad del pulso, y estudiar el equilibrio, la vista, y la coordinación entre cuerpo y mente.

El objetivo fundamental de este equipo es obtener un mayor conocimiento acerca de:
 

 - Funcionamiento de corazón y pulmones humanos.
 - Crecimiento y mantenimiento de músculos y huesos.
 - Formas de detectar la posición del cuerpo y mantener el equilibrio en estado de microgravedad.

Módulo de Acomodación Centrífuga: Este módulo albergará dos equipos:

- Equipo de Biología Gravitacional: Dispondrá de dos bastidores con hábitats múltiples, intercambiables, para células, cultivo de tejidos, plantas, insectos, roedores, criaturas acuáticas y huevos de aves y reptiles. Cada hábitat proporcionará comida, agua, luz, aire, y control de humedad y temperatura, así como tratamiento de desechos de los especímenes. Estarán equipados para transmitir datos a la Tierra. Podrán implementar distintos niveles de gravedad (hasta 2-g para los que puedan ser situados en el sistema de centrifugado).
- Sistema de centrifugado: Con forma cilíndrica, podrá girar alrededor de su eje a distintas velocidades, permitiendo gravedades equivalentes de hasta 2g. Así se podrá estudiar la alteración de los distintos especímenes bajo distintos niveles de gravedad. Este sistema también podrá ser utilizado para separar materiales biológicos de distinta densidad.

Se pretende alcanzar una mayor precisión en previsiones a largo plazo de fenómenos y cataclismos naturales (huracanes, volcanes...). Se buscarán también modelos climáticos que puedan alcanzar períodos de un año, para su aplicación en Agricultura, Pesca, y otros campos dependientes directamente del clima.

Asimismo, podrán obtenerse datos de la calidad atmosférica, vegetación, utilización de la tierra, recursos minerales y alimenticios, y la "salud" de ríos, lagos y océanos.

El Equipo de "Ventana Óptica" que se instalará estará diseñado específicamente para la observación directa y el registro de la dinámica de la Biosfera, y la experimentación y prueba de distintos sensores. Utilizará el cristal óptico de mayor calidad instalado hasta ahora en un vuelo tripulado. Adicionalmente, en un bastidor adyacente a la Ventana se situarán cámaras, sensores y otros dispositivos.

Estos dispositivos serán utilizados para estudiar lugares concretos sobre la Tierra durante ciclos completos día - noche, permitiendo la observación de fenómenos a distintas longitudes de onda.

En el equipamiento también se incluirá una experimentación sobre Gases y aerosoles en la Estratosfera, en un anexo externo al laboratorio, que recogerá datos para caracterizar los aerosoles atmosféricos e investigar la química del ozono.

Será el foco central de estudio en la ISS. En concreto, se utilizará como base para nuevas investigaciones en:
 

 - Ciencia de los Materiales.
 - Física de Fluidos
 - Ciencia de la Combustión
 - Biotecnología
 - Física fundamental.

Ciencia de los materiales: Se investigarán las estructuras invisibles de los materiales, así como sus propiedades térmicas, magnéticas y de cualquier otro tipo, a fin de desarrollar mejores procesos de producción y mejores materiales en la Tierra. Fundamentalmente, se investigarán fenómenos generalmente enmascarados por la acción de la gravedad. Entre los resultados, se pretende conseguir: mejores dispositivos electrónicos, mejores sistemas de telecomunicación, y prótesis artificiales más fuertes y duraderas.

Comparación entre cristales semiconductores de telururo de germanio formados en la Tierra (izquierda) y en el espacio.
 
 
 
 
 
 
 

Física de Fluidos: El estudio de los fluidos (líquidos, gases y plasma) en condiciones de microgravedad estará orientado a diseñar edificios más seguros en zonas propensas a terremotos, mejorar la estabilidad y el rendimiento de las estaciones generadoras de energía, incrementar la productividad en el procesado de materiales, y otras aplicaciones prácticas.

Ciencia de la Combustión: Teniendo en cuenta que las combustiones son las catálisis del 85% de la energía mundial, así como unas de las principales causantes de contaminación del aire, los conocimientos científicos acerca de estas reacciones son notablemente limitados. En el espacio podrán estudiarse los efectos de la variación de la cantidad de oxígeno, combustibles, y el punto de ignición. Los objetivos estarán centrados en encontrar modos más eficientes de incrementar la combustión, reduciendo así la contaminación, el calentamiento global, y los costes de producción y transporte.

Biotecnología: Se llevará a cabo experimentos de cultivo de tejidos orgánicos, y cristales proteínicos, los cuales crecen más y de manera más perfecta en microgravedad, haciendo las estructuras de las proteínas más fáciles de observar, alterar y sintetizar. El objetivo fundamental, en este campo, será crear medicamentos más efectivos y con menos efectos secundarios. Los tejidos orgánicos cultivados podrán ser utilizados para reemplazar tejidos dañados, tratar enfermedades, o incluso llegar a reemplazar órganos.

Física fundamental: Se trata de extrapolar los distintos descubrimientos para la elaboración de teorías de gran alcance, y aplicaciones comerciales.

Los cuatro puntos fundamentales en los que se centrará la investigación espacial en la ISS son:
 

- La estructura y la evolución del Universo
- Exploración del Sistema Solar
- Conexión Tierra-Sol
- Búsqueda de otros sistemas planetarios.

La ISS dispondrá de sistemas de observación de la Vía Láctea y otras galaxias. En el otro extremo de la escala científica, también se rastreará el espacio en busca de partículas subatómicas, rayos cósmicos, y material interestelar e interplanetario.

En este campo hay tres materias fundamentales:

- Sistemas de comunicación espaciales de uso comercial, con énfasis en la mejora de la tecnología de satélites para telefonía personal, y comunicación de vídeo y datos.
- Eficiencia en el uso de la energía, y calidad de agua y aire.
- Técnicas de construcción y funciones de mantenimiento automatizadas.

La ISS proporcionará una plataforma para la investigación de negocios y estudios que lleven a productos futuros de alta tecnología, como por ejemplo: nuevos productos farmacéuticos, semillas más resistentes a plagas y sequías, mejoras de los catalizadores utilizados para extraer petróleo, semiconductores más puros y perfectos...