El tercer paseo espacial, protagonizado por Joe Tanner y Heide Stefanyshyn-Piper, duró 6 horas y 42 minutos (finalizó a las 16:42 UTC del 15 de septiembre). Tanner se ocuparía del P6 Beta Gimbal Assembly, uno de los mecanismos de orientación de la estructura P6, el grupo de paneles solares instalado sobre el módulo Unity. Su compañera, mientras tanto, se encargó de recoger un experimento llamado Materials on the International Space Station Experiment 5, utilizando durante varios meses para probar los efectos del ambiente espacial sobre materiales que podrían emplearse en futuros vehículos espaciales. Después, ambos prepararon el camino para el despliegue de un radiador térmico, desconectando los seguros que lo habían mantenido inmóvil en la estructura P3/P4 durante el lanzamiento. A continuación reemplazaron el soporte de la antena de banda S (SASA) del segmento S1. Colocaron una unidad nueva, y protegieron la vieja, que será retirada durante otra misión. Stefanyshyn-Piper cambió un procesador de señal y el transpondedor en el S1, mientras Tanner instalaba un protector térmico para evitar que se calentase demasiado la antena. Por último, instalaron una nueva antena de televisión inalámbrica y usaron una cámara infrarroja para revisar el borde de las alas del transbordador Atlantis. Luego volvieron al interior del módulo esclusa Quest. Desde tierra, se ordenó con éxito la apertura del radiador térmico que habían manipulado durante su excursión extravehicular.
El sábado 16 de septiembre, los astronautas de la misión STS-115 y sus compañeros de la Expedición número 13 se tomaron un tiempo de descanso. Sin embargo, se completaron las obligadas tareas de después de un paseo espacial, como la limpieza y almacenamiento de los trajes, y también se completaron las de traslado de artículos y materiales de una nave a otra. Los astronautas participaron en una conferencia de prensa desde el espacio, y en numerosas entrevistas con diversos medios de comunicación.
El 17 de septiembre, el Atlantis debía abandonar la estación. Las dos tripulaciones celebraron la tradicional ceremonia de despedida, en el módulo Destiny, y a continuación, los astronautas del transbordador se dirigieron a su vehículo y se cerraron las escotillas. A las 12:50 UTC, después de seis días, 2 horas y 2 minutos de operaciones conjuntas, el Atlantis abandonaba su puerto de atraque e iniciaba su lenta separación del complejo. Antes de alejarse definitivamente, dio una vuelta completa alrededor de la estación, ofreciendo espectaculares imágenes del aspecto de la ISS, con el nuevo grupo de paneles solares abiertos claramente visibles a un lado.
Evolucionando ya en solitario (foto izquierda: NASA), el Atlantis se prepararía para su aterrizaje, previsto para las 09:57 UTC del miércoles 20 de septiembre. Hasta ese momento, la tripulación aún efectuó una última tarea de inspección del sistema térmico de su vehículo. Unieron el brazo mecánico Canadarm con la pértiga OBSS, y dieron un vistazo al escudo inferior del Atlantis, así como a sus alas y el morro delantero, en busca de posibles impactos de chatarra espacial o micrometeoritos.
Mientras tanto, en la Tierra, se producía el despegue de los miembros de la Expedición número 14, compuesta por Michael López-Alegría y Mikhail Tyurin, y la turista espacial de origen iraní Anousheh Ansari. El lanzamiento de la cápsula Soyuz TMA-9 (foto derecha: Energia) se produjo desde Baikonur a bordo de un cohete Soyuz-FG, a las 04:09 UTC del 18 de septiembre. La nave ascendió hasta la órbita sin ninguna dificultad, para abrir después sus paneles solares y antenas e iniciar su ruta hacia la estación espacial internacional. Tras el acoplamiento, López-Alegría y Tyurin reemplazarán a Vinogradov y Williams, uniéndose al europeo Reiter, quien aún permanecerá unos meses más en el complejo. Antes, está previsto que la nave de carga Progress 21P, llena de basura y otros materiales inservibles, se separe de la estación.
Anousheh Ansari se ha convertido en la primera mujer turista que ha volado al espacio, es decir, la primera que ha pagado de su bolsillo su viaje. A diferencia de alguno de sus predecesores, viene dispuesta a participar activamente en el programa científico, durante su vuelo de 10 días. En concreto, se prestará como sujeto experimental en diversos experimentos patrocinados por la Agencia Espacial Europea, en el área de la fisiología humana.
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