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Weltraumforschung (engl. space exploration, wörtlich „Weltraumerforschung“) ist die aktive Erforschung des Weltraums entweder durch Beobachtung, Fernerkundung, Sondierung von Himmelskörpern oder durch terrestrische (auf der Erde durchgeführte) Experimente, die sich auf Zustände im Weltraum übertragen lassen.
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts durchgeführte Operationen der Weltraumforschung sind insbesondere
- der Start von Raumsonden zu Planeten, Monden und Asteroiden,
- die Durchführung von Experimenten an Bord von Raumstationen (wie der ISS, früher der russischen Mir) oder
- die Beobachtung von Objekten durch Radio- und Weltraumteleskope, zum Beispiel SOHO oder das Hubble-Weltraumteleskop.
Die Weltraumforschung benutzt Techniken der Raumfahrt, ein Teil findet jedoch auch auf der Erde statt. Umgekehrt dient nur ein kleiner Teil der Raumfahrt der Weltraumforschung, ein großer Teil der Raumfahrt hat andere Zwecke (etwa kommerzielle oder militärische).