Một trong những mục đích chính của ISS là cung cấp một địa điểm để giám sát thực hiện các thí nghiệm và đòi hỏi một hoặc nhiều điều kiện đặc biệt hiện nay trên trạm cho công việc này. Những lĩnh vực nghiên cứu chính bao gồm sinh học (gồm nghiên cứu y sinh và công nghệ sinh học), vật lý (gồm vật lý chất lỏng, khoa học vật liệu, và cơ học lượng tử), thiên văn học (bao gồm vũ trụ học), và khí tượng học[21][22]. Kể từ năm 2007, những thí nghiệm nhỏ khác như nghiên cứu những ảnh hưởng lâu dài của hiện tượng không trọng lượng tới con người đã được tiến hành trên trạm. Với 4 mô-đun nghiên cứu mới được bố trí để hoàn thành trên ISS vào năm 2010, những thí nghiệm khoa học sẽ được diễn ra nhiều hơn và chất lượng hơn, với những mô-đun nghiên cứu như vậy, nhiều nghiên cứu chuyên dụng đã được mong đợi để được bắt đầu.

Mô-đun khoa học trên ISS

Mô-đun phòng thí nghiệm Destiny là phương tiện nghiên cứu chính hiện thời trên trạm ISS. Nó được sản xuất bởi NASA và được phóng vào tháng 2 năm 2001, đây là một phương tiện nghiên cứu cho những thí nghiệm chung[23]. Mô-đun Columbus là một phương tiện nghiên cứu khác được thiết kế bởi Cơ quan vũ trụ châu Âu (ESA) cho trạm ISS. Mục đích của nó là tạo những điều kiện thuận lợi cho những thí nghiệm khoa học và đã được phóng vào không gian bằng tàu con thoi trong một sứ mệnh mang tên STS-122 vào ngày 6 tháng 12 năm 2007[24]. Columbus cung cấp một phòng thí nghiệm chung cũng như một trong số những thiết kế đặc biệt dành cho sinh học, nghiên cứu y sinh và vật lý chất lỏng. Có một số mở rộng dự kiến sẽ được thực hiện để tạo công cụ cho sự nghiên cứu Cơ học lượng tử và vũ trụ học. vào tháng 2 năm 2008, tàu con thoi Atlantis mang theo một mô dun để lắp vào ISS, đây sẽ là mô đun đầu tiên thuộc quyền sở hữu của Cơ quan vũ trụ châu Âu.[25]

Mô-đun Thí nghiệm Nhật Bản, cũng còn được biết đến với tên gọi Kibō, được dự kiến hoàn thành sau sứ mệnh STS-127 vào tháng 6 năm 2009. Được phát triển bởi Cơ quan thám hiểm không gian Nhật Bản (JAXA), mô-đun này sẽ có chức năng như một đài quan sát thiên văn và đo các dữ liệu thiên văn khác nhau. Dự án ExPRESS Logistics Carrier, được phát triển bởi NASA, đây là dự án với các mô-đun hàng hóa vận chuyển lên trạm ISS, các mô-đun sẽ được phóng bằng tàu con thoi trong sứ mệnh mang tên STS-129, người ta hy vọng sẽ thực hiện sứ mệnh này trước 11 tháng 9 năm 2009[26]. Nó sẽ cho phép những cuộc thí nghiệm được tiến hành và điều khiển trong chân không, cung cấp lượng điện năng cần thiết, và tính toán xử lý dữ liệu cục bộ cho các cuộc thí nghiệm. Mô-đun phòng thí nghiệm vạn năng, được chế tạo bởi Cơ quan Vũ trụ Liên bang Nga (RKA), nó được trông đợi sẽ phóng lên ISS vào cuối năm 2009. Mô-đun này sẽ cung cấp những tài nguyên thích hợp cho thí nghiệm chung về môi trường không trọng lực[27].

Hai trong số những mô-đun nghiên cứu trong kế hoạch đã bị hủy bỏ, đó là Mô-đun Điều tiết Máy ly tâm (được sử dụng để tạo ra các mức trọng lực nhân tạo khác nhau trong trạm) và Mô-đun Nghiên cứu Nga (được sử dụng cho những thí nghiệm chung). Một vài cuộc thí nghiệm đã được lên kế hoạch trước, như Phổ từ kế Alpha cũng đã bị hủy bỏ.

Những lĩnh vực nghiên cứu

Có một số kế hoạch nghiên cứu sinh vật học trên ISS. Mục đích thứ nhất là để nâng cao sự hiểu biết của chúng ta về sự ảnh hưởng lâu dài của môi trường không trọng lực trong không gian đến cơ thể con người. Những vấn đề như teo cơ, loãng xương và những thay đổi về chất lỏng được nghiên cứu với mục đích sử dụng những dữ liệu này phục vụ cho cuộc sống của con người trong không gian và du lịch vũ trụ dài ngày, nếu chúng được ứng dụng thành công thì những chuyến bay của con người dài ngày trong vũ trụ sẽ khả thi hơn. Những ảnh hưởng của tình trạng mất trọng lượng trong sự tiến hóa, sự phát triển và sự tăng trưởng, những quá trình bên trong thực vật và động vật cũng được nghiên cứu. Những dữ liệu kết quả nghiên cứu mới đây đã đưa ra giả thiết rằng vi trọng lực cho phép sự tăng trưởng của các mô trong cơ thể con người tăng lên gấp 3 lần và các tinh thể protein đặc biệt có thể được hình thành trong không gian, NASA tỏ ra rất mong muốn được điều tra nghiên cứu những hiện tượng này[21].

NASA cũng quan tâm nghiên cứu đến những vấn đề nổi bật trong vật lý. Vật lý chất lỏng trong môi trường vi trọng lực vẫn chưa được hiểu biết hoàn toàn, và những nhà nghiên cứu muốn tìm một cách nào đó để tìm ra được mô hình chính xác của chất lỏng trong tương lai. Đồng thời, vì những chất lỏng trong không gian có thể kết hợp gần như hoàn toàn bất chấp tỷ trọng của chúng, các nhà nghiên cứu đang quan tâm đến việc nghiên cứu sự kết hợp của những chất lỏng không có tính pha trộn tốt khi thực hiện ở Trái Đất, những chất lỏng này sẽ được thí nghiệm trong không gian để tìm hiểu về sự kết hợp trong môi trường vi trọng lực. Bằng việc nghiên cứu những phản ứng được làm chậm bởi trọng lực và nhiệt độ thấp, những nhà khoa học cũng hy vọng tìm kiếm được sự hiểu biết mới sâu sắc hơn liên quan đến những trạng thái của vật chất (đặc biệt trong hiện tượng siêu dẫn)[21].

Đồng thời, các nhà khoa học cũng hy vọng nghiên cứu sự cháy trong môi trường trọng lực bé hơn ở Trái Đất. Bất kỳ kết quả tìm kiếm nào liên quan đến hiệu quả của sự đốt cháy hay tạo thành những sản phẩm phụ đều có thể cải thiện quá trình sản xuất năng lượng, mà đây là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong ngành kinh tế và môi trường. Kế hoạch của các nhà khoa học là sử dụng ISS để nghiên cứu khí dung, ôzôn, hơi nước và ôxi trong bầu khí quyển của Trái Đất cũng như tia vũ trụ, bụi vũ trụ, phản vật chất và vật chất tối trong vũ trụ[21].

Những mục đích dài hạn của các nghiên cứu này sẽ được áp dụng để pháp triển công nghệ cần thiết cho nhiều lĩnh vực như: xây dựng căn cứ trong không gian, thám hiểm các hành tinh và sự có mặt lâu dài của con người trong không gian (bao gồm những hệ thống hỗ trợ sự sống, hệ thống an toàn, kiểm tra môi trường trong không gian,...), những cách mới để điều trị các căn bệnh, những phương pháp hiệu quả hơn trong sản xuất vật chất, những kết quả đo lường chính xác hơn mà không thể đạt được nếu làm trên Trái Đất[21][22].