Am Freitag wird in Köln ein Forschungszentrum eingeweiht, in dem untersucht wird, wie Menschen lange Missionen im Weltall bestehen können. Astronauten haben mit ähnlichen Problemen zu kämpfen wie Patienten, die lange im Bett liegen müssen.
Köln - Wie können sich Astronauten im All fit halten? Wer passt zu einer Crew, die zum Mars fliegt? Und was können bettlägerige Patienten gegen Kreislaufschwäche, Muskel- und Knochenschwund tun? Wer bezweifelt, dass diese Fragen zusammenhängen, wird ab Freitag eines Besseren belehrt: dann öffnet in Köln das Envihab, eine medizinische Forschungseinrichtung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).
Das Kunstwort aus „Environment“ (Umwelt) und „Habitat“ (Lebensraum) deutet an, dass es dort um Wechselwirkungen zwischen Mensch und Umwelt geht. Verschiedene Disziplinen werden in der neuartigen Einrichtung kooperieren: von Biologie über Weltraumphysiologie und die Psychologie bis hin zur Sportwissenschaft. Dabei geht das Interesse der Forscher über Bedingungen im Rahmen der Raumfahrt hinaus: „Der Astronaut stellt einen Extremfall der Physiologie und der Psychologie dar“, erklärt Jochen Zange, Leiter der Arbeitsgruppe Integrative Muskelphysiologie des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrt-Medizin. „Durch ihn lernen wir auch etwas über den Menschen allgemein.“
So gleichen die Folgen eines mehrmonatigen Aufenthaltes im Zustand der Schwerelosigkeit zum Teil denen einer langen Ruhe im Krankenbett: Der Kreislauf wird zu wenig gefordert und dadurch geschwächt, der Körper baut Knochen- und Muskelmasse ab. Wie sich das effizient verhindern lässt, ist eine der ungeklärten Fragen der Medizin. Die Astronauten auf der Internationalen Raumstation ISS absolvieren deshalb täglich zwei bis drei Stunden ein spezielles Kraft- und Konditionsprogramm. Aber obwohl das Training bewährten Methoden folgt, schlägt es nur bedingt an: Die Astronauten können ihre Fitness erhalten, aber nicht verbessern. Das Problem dabei: wenn ein Astronaut einige Tage nicht trainieren kann, holt er den Trainingsrückstand nie wieder auf. „Noch ist unklar, wieso die Muskeln im All auf Trainingsreize anders reagieren als auf der Erde“, sagt Zange.
„Auf dem Mars trägt einen keiner aus der Landekapsel“
Für das halbe Jahr, das Astronauten üblicherweise auf der Raumstation verbringen, ist das noch kein so großes Problem. Die Anwärter trainieren vor dem Start angepasst an die geplante Aufenthaltsdauer und durchlaufen nach der Rückkehr ein Rehaprogramm, das sie wieder für das Leben auf der Erde fit macht. Aber für künftige Langzeitmissionen zum Mond oder gar zum Mars muss dieses Problem gelöst werden. Denn wer sieht, wie Astronauten nach der Landung aus der Raumkapsel getragen werden, weil sie kaum noch stehen können, versteht die Problematik: „Auf dem Mars trägt einen keiner aus der Landekapsel“, sagt Peter Gauger von der Abteilung Weltraumphysiologie des DLR-Instituts.
Ein zentraler Forschungsinhalt des Envihab ist daher der Frage gewidmet, welche Maßnahmen den Auswirkungen von Schwerelosigkeit und Bettruhe am effektivsten entgegenwirken. Herzstück sind zwölf gleich geschnittene Probandenräume, in denen Versuche unter einheitlichen Bedingungen stattfinden. „Wir können so schon nach fünf Tagen Bettruhe nachweisen, ob Knochen abgebaut wurden“, sagt Jochen Zange.
Mittels Magnetresonanztomografie verfolgen die Wissenschaftler Veränderungen im gesamten Körper ihrer Probanden quasi live und vermessen die Größe von Muskeln, dem Herzen oder anderer Organe vor, während und nach einer Bettruhestudie. Die längste Studie mit liegenden Probanden soll dabei 60 Tage dauern. „Nach so lange dauernden Studien wird man mit den Teilnehmern ein Rehaprogramm machen müssen“, erklärt Zange. Ein ähnliches Programm durchlaufen Astronauten, die derzeit aus dem All zurückkehren, im Nasa-Kontrollzentrum Houston – auch das könnten die europäischen Astronauten künftig in Köln absolvieren.
Die Probanden können lange Zeit isoliert werden
An einem Teil der Probanden werden während der Liegezeit mögliche Gegenmaßnahmen getestet. Dafür hat das DLR eine spezielle Human-Zentrifuge entwickelt: Die Versuchspersonen liegen dabei mit dem Kopf zum Zentrum und den Füßen nach außen auf den Armen der Zentrifuge. Dreht sie sich, wirkt eine Kraft wie die Schwerkraft in Richtung der Füße. „Die Idee, durch eine Zentrifuge die Schwerkraft zu ersetzen, ist so alt wie die Raumfahrt selbst“, erklärt Zange. Jetzt gilt es zu klären, wie diese künstliche Schwerkraft auf den Organismus wirkt: Im Idealfall kann sie den Kreislauf entsprechend trainieren, der das Blut, das dadurch in die Beine gedrückt wird, zurück zum Herzen transportieren muss.
Die Probanden werden während des Zentrifugierens per Ultraschall überwacht. Die Zentrifuge wurde so konstruiert, dass sie auf der Raumstation Platz findet. Die Idee der Forscher, die sie im Envihab überprüfen wollen: möglicherweise könnten die Astronauten über Nacht mit geringer Geschwindigkeit zentrifugiert werden und so ihren Kreislauf passiv fit halten.
In weiteren Räumen lassen sich die Zusammensetzung der Luft und der Luftdruck so verändern, dass eine Höhe von bis zu 5500 Metern simuliert wird. Die Wissenschaftler wollen herausbekommen, mit wie wenig Druck und wie viel Kohlendioxid in der Luft der Mensch über einen längeren Zeitraum leistungsfähig bleibt. Um hieb- und stichfeste Auskünfte zu erhalten, will man auch Psychologen ins Boot holen, die den Wahrheitsgehalt der Antworten beurteilen. „Wenn man Astronauten beispielsweise während eines Andockmanövers fragt: Geht es dir gut?, sagen sie immer: Ja alles gut.“, berichtet Zange. „Dabei ist ihnen oft übel.“
Nicht zuletzt können im Envihab Probanden über lange Zeit isoliert werden, wie es in der russischen Mars-500-Studie geschehen war. Der innere Teil des Zentrums lässt sich komplett abriegeln und von außen überwachen. Darin sollen Probanden mehr als 100 Tage miteinander verbringen. Denn wie Menschen auf eine längere Isolation in einer kleinen Gruppe reagieren, welche Persönlichkeitstypen für eine Langzeitmission geeignet sind und welche Maßnahmen zur psychischen Entspannung beitragen – das will man besser nicht erst auf dem Weg zum Mars testen, wenn es kein Zurück mehr gibt.
Das Envihab in Zahlen
Eröffnung
Das Envihab wird am Freitag im Rahmen eines Astronautenkongresses eröffnet. 80 Raumfahrer aus aller Welt tauschen sich diese Woche in Köln über ihre Erfahrungen aus. Sie werben auch für ihre Missionen.
Kosten
Der Bau mit seinen 3500 Quadratmetern Nutzfläche kostete etwa 30 Millionen Euro. Die Kosten werden von Nordrhein-Westfalen und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt getragen und von der EU bezuschusst.
Forschungsstart
Die Wissenschaftler müssen sich zuerst mit den neuen Anlagen wie etwa der Human-Zentrifuge vertraut machen. Erste medizinische Studien werden daher voraussichtlich im Frühjahr 2014 starten.