Raumfahrt | 15. Mai 2019 | von Jan Wörner

AGBRESA: Man nimmt alles mit ins All, nur nicht die Schwerkraft – Das Training auf der Kurzarmzentrifuge

Quelle: DLR.
Alexandra Noppe, Timo Frett und Michael Arz vom DLR-Zentrifugenteam bereiten einen Probanden für die Fahrt vor

Strikte Bettruhe und im Kreis fahren, wie geht das zusammen? Ganz einfach: Als Proband bei unserer Bettruhe-Studie AGBRESA! Während der 60-tägigen Bettruhe absolvieren 8 unserer 12 Probandinnen und Probanden täglich ihr Training auf der DLR-Kurzarm-Human-Zentrifuge.##markend##

Seit Beginn der bemannten Raumfahrt wagt sich der Mensch immer länger ins All und ist dort der Schwerelosigkeit beziehungsweise der Mikrogravitation ausgesetzt. Langzeitaufenthalte von sechs Monaten oder mehr auf der Internationalen Raumstation ISS sind dabei mittlerweile die Regel. Evolutionär ist der menschliche Körper jedoch an die Schwerkraft der Erde angepasst. Fällt diese Kraft weg, so passt sich der Körper mit einer Vielzahl physiologischer Reaktionen an die neue Umgebung an. Dabei kommt es mitunter auch zu Effekten, die nicht gewünscht sind beziehungsweise bei einer Rückkehr in eine Schwerkraftumgebung, sei es nun die Erde oder zukünftig der Mars, sogar schädlich sein können. Derzeit verlieren Raumfahrerinnen und Raumfahrer im All bis zu zwei Prozent ihrer Knochendichte pro Monat und büßen einen beträchtlichen Anteil ihrer Muskelkraft ein. Darüber hinaus wird das Immunsystem negativ beeinflusst. Außerdem scheint ein Zusammenhang zwischen dem Allaufenthalt und einer verringerten Sehkraft zu bestehen.

Kurzum: Ein längerer Aufenthalt im All scheint zwar möglich, birgt aber gesundheitliche Risiken. Um negativen physiologischen Veränderungen vorzubeugen, trainieren ISS-Crewmitglieder bis zu 1,5 Stunden täglich - allerdings in Schwerelosigkeit. Dieses Training zeigt gute Erfolge, ist jedoch in seiner Wirkung begrenzt und benötigt deutlich mehr Platz als voraussichtlich in einem Raumschiff zum Mars zur Verfügung stehen wird. Zukünftige Flüge zum Mars werden zudem mit einer Missionsdauer von etwa 1000 Tagen deutlich länger sein als die bisherigen Aufenthalte von Astronauten auf der ISS.

Quelle: DLR.
Alexandra Noppe vom DLR-Studienteam beim Testlauf auf der Zentrifuge

Um das Risiko für missionskritische Verletzungen wie beispielsweise Knochenbrüche durch eine zu geringe Knochendichte oder ein instabiler Kreislauf zu minimieren, müssen geeignete Gegenmaßnahmen erforscht werden. Eine Möglichkeit wäre, die fehlende Schwerkraft durch Zentrifugation zu ersetzen. Entsprechend der allgemeinen Relativitätstheorie wirkt die dabei erzeugte Zentrifugalkraft in gleicher Weise wie Gravitation, sie setzt somit die Zellen im menschlichen Körper einem vergleichbaren Reiz aus. Das Konzept von rotierenden Raumstationen/-schiffen gibt es schon sehr lange und geht auf den russischen Raumfahrtpionier Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky zurück. Unklar ist jedoch bislang, welche Parameter exakt benötigt werden beziehungsweise vom Menschen auf Dauer toleriert werden können.

30 Umdrehungen pro Minute

Mit der DLR-Zentrifuge werden bei der AGBRESA-Studie zum ersten Mal in einer Langzeit-Bettruhe-Studie als Gegenmaßnahme zwei verschiedene Zentrifugenprofile getestet. Dabei drehen acht der insgesamt zwölf Probanden täglich 30 Minuten ihre Runden, die anderen vier gehören zur Kontrollgruppe und haben kein Zentrifugentraining. Vier der Probanden fahren dabei täglich 30 Minuten durchgehend auf der Zentrifuge, die anderen vier haben ein Art Intervalltraining, bei dem sie sechs mal fünf Minuten mit drei Minuten Pause fahren. Die Zuordnung zu den jeweiligen Gruppen erfolgte zu Beginn der Studie zufällig. Die Probanden liegen auf der Zentrifuge mit dem Kopf nach innen, die Füße nach außen, so dass die von der Zentrifuge erzeugte Fliehkraft in Richtung der Füße wirkt. Die Zentrifugen-Fahrer erfahren dabei 1g (also Erdschwerkraft) am Körperschwerpunkt und 2g, also das Zweifache der Erdschwerkraft, an den Füßen. Die Rotationsgeschwindigkeit der Zentrifuge liegt bei etwa 30 Runden pro Minute oder, anders gesagt, es findet alle zwei Sekunden eine Umdrehung statt. Die Füße werden dabei mit dem eigenen Körpergewicht gegen die Bodenplatte gedrückt. Schließt man die Augen und vergisst für einen Moment, dass man eigentlich liegt, fühlt es sich fast so an, als ob man steht.

Mittlerweile sind die Probandinnen und Probanden echte Zentrifugen-Profis. Sie wissen schon, dass sie vorher einmal zur Toilette "gegangen" sein sollten (also die Studienmitarbeiter um eine Urinflasche gebeten haben sollten…) und die letzte große Mahlzeit vor dem Fahren besser mit einer Stunde Vorlauf eingenommen wird. Die 30-minütigen Fahrten vergehen dann meist wie im Flug: Einige hören ihre Lieblings-Musik oder lassen sich Hörbücher vorspielen, andere hängen ihren Gedanken nach - Unwohlsein durch die Rotation, wie oftmals befürchtet, kommt kaum auf. Doch bei einigen Fahrten haben sie auch richtige Arbeitsaufträge: Häufig stehen Experimente während der Zentrifugenfahrt auf dem Programm, bei denen sie aktiv sein müssen. So gibt es kognitive Tests mit Rechen- und Konzentrations-Ausdauer-Aufgaben, bei denen der jeweilige Proband Rückmeldung über Mikrofon an den zuständigen Mitarbeiter im Kontrollraum gibt. Sogar Ultraschallmessungen zur Bestimmung des Blutflusses, die der Proband an sich selbst unter Anleitung der Experimentatoren während der Fahrt durchführt, stehen auf dem Programm. Diese Experimente werden meist zu Anfang, in der Mitte und zum Ende der Bettruhephase durchgeführt. An anderen Studientagen werden Herzkreislauf-Parameter, Muskelstoffwechselparameter oder die Muskelaktivitäten aufgezeichnet und später ausgewertet, der Augeninnendruck wird vor und nach der Fahrt gemessen und Atemgasmessungen durchgeführt. Langeweile kommt während des Zentrifugentrainings also eher selten auf.

Tägliches Zentrifugentraining - 60 Tage am Stück

Immer wieder erhalten die Probanden während ihrer Fahrt Durchsagen aus dem Kontrollraum, wir stehen über Ton und Bild permanent im Kontakt: Es gibt Zeitangaben zur Orientierung für die Probanden, Nachfragen nach dem Befinden oder einen kurzen Smalltalk, sofern es das Experiment-Setup erlaubt. Mittlerweile ist bereits eine gewisse Routine eingetreten und die Probanden erleben die Zentrifugenfahrten als willkommene Abwechslung zum Bett-Alltag.

Quelle: DLR.
Vorbereitung auf die Fahrt mit der Zentrifuge: Alexandra Noppe und Timo Frett vom DLR-Zentrifugenteam verkabeln einen der Probanden

Für uns DLR-Mitarbeiter bedeutet die AGBRESA-Studie einen etwa zehnstündigen Zentrifugenarbeitstag: Nicht nur die Fahrten als solche werden durchgeführt, sondern es finden Vor- und Nachbereitung, medizinische Kontrollen sowie Überwachung statt. Auch das Beschleunigen und Abbremsen sowie die Pausen des intermittierenden Protokolls verlangen ihren Einsatz, da keine Fahrt automatisiert durchgeführt wird, sondern ständig mindestens ein Arzt und ein technischer Operator aus dem Team vor Ort sind. Da die Fahrten täglich durchgeführt werden, haben wir und auch die Probanden kein Wochenende. Unser Zentrifugenteam ist sieben Tage die Woche vor Ort und rotiert die terrestrischen Astronauten. Dabei ist immer wieder beeindruckend, wie gut alles läuft: Bisher hat es keinerlei Probleme gegeben, die Probanden sind alle in guter Stimmung und voll im Einsatz, nur morgens gilt es manchmal noch die ein oder andere Müdigkeitsphase zu überbrücken. Die befürchtete Übelkeit während der Zentrifugation ist bei allen ausgeblieben und alle Beteiligten freuen sich, dass das ambitionierte Programm nach Plan umgesetzt werden kann.

In 25 Sekunden bei 2g an den Füßen

Das Zentrifugentraining der acht Probandinnen und Probanden wird im Akkord durchgeführt - hier braucht es ein eingespieltes Team. Im Vorbereitungsraum wird der Proband zunächst mit Elektroden versehen und einem Sicherungsgurt um die Hüfte ausgestattet, bevor er dann von der Transportliege auf den Zentrifugenarm wechselt und die letzten Vorbereitungsmaßnahmen laufen. Das Zentrifugenteam schließt ihn an die medizinischen Monitoring-Apparate an und sichert die Gurte. Der Arzt - fester Bestandteil des Zentrifugenteams und bei jeder Fahrt dabei - schaut sich noch einmal die Herzfrequenz des Probanden an und misst den Blutdruck. Außerdem erfolgt ein letzter Kontrollgang des Centrifuge Operators durch den runden Zentrifugenraum mit prüfendem Blick, damit alle Geräte fest sind und keine liegengebliebenen Gegenstände mitfahren. Nun schließt sich die große Tür des Zentrifugenraums und erst nach der Verriegelung kann die Zentrifuge gestartet werden. Die Freigabe der Zentrifuge wird mit einem Piepton angekündigt, dann setzt sich die Zentrifuge per Startknopf in Bewegung: Die Drehrichtung wird dabei täglich gewechselt, damit die Wirkung der Drehkraft auf beide Beine während der gesamten Studie gleichmäßig verteilt wird. Die Beschleunigungsphase dauert ca. 25 Sekunden, dann hat der Proband seine Endgeschwindigkeit erreicht. Nach dreißig Minuten hält die Zentrifuge an, das Team kommt rein und schnallt ihn ab, alle Kabel und Elektroden werden entfernt und der Proband begibt sich zurück auf die Transportliege. Durch die breiten Zentrifugen-Flügeltüren geht es den kurzen Weg zurück zur Probandenstation. Auf dem Weg begegnet er schon dem nächsten Proband und klatscht ihn von Liege zu Liege ab. Auch dieser Proband liegt schon wieder in den Startlöchern und eine neue Fahrt beginnt.

Am Ende dieser ersten Kampagne werden über 500 Fahrten durchgeführt worden sein, inklusive der Eingewöhnungsfahrten zu Beginn der Studie. Jeder Zentrifugen-Proband wird dann über 30 Stunden auf der Zentrifuge verbracht haben und hat in dieser Zeit weit über 54000 Runden gedreht.

Quelle: DLR.
Ein Proband am Eingang des Zentrifugenraums
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Über den Autor

Timo Frett ist seit 2013 wissenschaftlicher Koordinator für die Kurzarm-Humanzentrifugen am DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln. Bei AGBRESA ist er Leiter des Zentrifugenteams und verantwortlich für die tägliche Intervention und Experimentdurchführung auf der Zentrifuge. zur Autorenseite

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