7. September 2021
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk auf der ISS für Langzeitanalyse des Herzkreislauf-Systems

Smar­tes Shirt misst Vi­tal­da­ten von Astro­nau­ten

Vorbereitungen der Mission „Cosmic Kiss“ im :envihab
Vor­be­rei­tun­gen der Missi­on „Cos­mic Kiss“ im :en­vi­hab
Bild 1/5, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Vorbereitungen der Mission „Cosmic Kiss“ im :envihab

Mat­thi­as Mau­rer im Som­mer 2021 bei vor­be­rei­ten­den Ge­sprä­chen zur Missi­on Cos­mic Kiss im :en­vi­hab des DLR in Köln. Im Rah­men des Brie­fings wur­de auch das Ex­pe­ri­ment Wi­re­less Com­po­se-2 vor­ge­stellt.
Sensoren messen physiologische Daten bei Testlauf auf der Erde
Sen­so­ren mes­sen phy­sio­lo­gi­sche Da­ten bei Test­lauf auf der Er­de
Bild 2/5, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Sensoren messen physiologische Daten bei Testlauf auf der Erde

Herz­pa­ra­me­ter wie der re­la­ti­ve Blut­druck so­wie De­tails zur Kon­trak­ti­ons­ra­te der Herz­klap­pen ge­ben Auf­schluss über den phy­sio­lo­gi­schen Zu­stand von Astro­nau­ten und Astro­nau­tin­nen. Mit dem Ex­pe­ri­ment Wi­re­less Com­po­se 2 wer­den die Aus­wir­kun­gen der Welt­rau­mum­ge­bung auf das Herz-Kreis­lauf-Sys­tem im Rah­men der Cos­mic Kiss Missi­on von Mat­thi­as Mau­rer an Bord der In­ter­na­tio­na­len Raum­sta­ti­on ISS er­fasst.
Mit dem Shirt „Smart-Tex“ können Astronauten und Astronautinnen die Sensoren bequem am Körper tragen
Mit dem Shirt „Smart-Tex“ kön­nen Astro­nau­ten und Astro­nau­tin­nen die Sen­so­ren be­quem am Kör­per tra­gen
Bild 3/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Mit dem Shirt „Smart-Tex“ können Astronauten und Astronautinnen die Sensoren bequem am Körper tragen

Für lang­fris­ti­ge be­mann­te Welt­raum­mis­sio­nen zu Mond und Mars ist es wich­tig zu wis­sen, ob und wie sich das Herz un­ter Schwe­re­lo­sig­keit ver­än­dert.
WICO-Modul verbaut auf der ISS
WI­CO-Mo­dul ver­baut auf der ISS
Bild 4/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

WICO-Modul verbaut auf der ISS

Das Wi­re­less Com­po­se (WI­CO)-Mo­dul im oran­ge-trans­pa­ren­ten Ge­häu­se wiegt ge­ra­de mal 200 Gramm und hat die Grö­ße ei­ner Zi­ga­ret­ten­schach­tel.
Die Internationale Raumstation
Die In­ter­na­tio­na­le Raum­sta­ti­on
Bild 5/5, Credit: Roskosmos/NASA

Die Internationale Raumstation

Der ESA-Astro­naut Mat­thi­as Mau­rer wird im Rah­men sei­ner Missi­on "Cos­mic Kiss" 36 Ex­pe­ri­men­te mit deut­scher Be­tei­li­gung auf der ISS durch­füh­ren.
  • In rund acht Wochen soll der deutsche ESA-Astronaut Matthias Maurer in den Weltraum aufbrechen und für etwa sechs Monate auf der Internationalen Raumstation (ISS) leben und arbeiten.
  • Während seiner Mission „Cosmic Kiss" wird er verschiedene Experimente durchführen.
  • Smartes T-Shirt mit integrierten Sensoren funkt über ein drahtloses Netzwerk physiologische Daten von Astronautinnen und Astronauten. Auswirkungen der Weltraumumgebung auf das menschliche Herz-Kreislauf-System können so bewertet und demonstriert werden.
  • Das Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk dient zudem zur Positionsbestimmung von Menschen und Gegenständen auf der ISS. Seine Energie soll es durch Solarzellen aus künstlichen Lichtquellen selbst erzeugen.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Internationale Raumstation

In rund acht Wochen ist es so weit: Der deutsche Astronaut Matthias Maurer wird an Bord einer SpaceX-Raumkapsel zur ISS fliegen. Seine erste ISS-Mission trägt den Namen „Cosmic Kiss“. 36 Experimente aus Deutschland sind für seine Mission vorgesehen. Eines davon ist Wireless Compose-2 (WICO2), geplant und vorbereitet vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie seinen Kooperationspartnern DSI Aerospace Technology, Hohenstein Laboratories und der Universität Bielefeld. Das drahtlose Netzwerk liest Sensordaten aus und kann die Position von Objekten im Raum durch Laufzeiten von Funkimpulsen bestimmen. Es steht zudem als Plattform für weitere Versuche zur Verfügung. Im Experiment BEAT (Ballistocardiography for Extraterrestrial Applications and long-Term missions) misst ein mit Sensoren ausgestattetes T-Shirt Ballistokardiografie-Daten wie Puls und Blutdruck von Astronautinnen und Astronauten. Dies liefert ein durchgängiges Bild ihres vitalen Zustands.

Smartes T-Shirt – mehr als Weltraummode

Matthias Maurer wird als erster Astronaut das smarte Shirt „SmartTex“ auf der ISS tragen. In dem Shirt sind Sensoren so integriert, dass sie an der richtigen Stelle sitzen, um die relevanten physiologischen Daten zu messen. Der Astronaut kann die Sensoren so bequem am Körper tragen. Sie messen Herzparameter wie den relativen Blutdruck sowie Details zur Kontraktionsrate und zu Öffnungs- und Schließzeiten der Herzklappen, die normalerweise nur über Sonographie oder Computertomographie zugänglich sind. Auswirkungen der Weltraumumgebung auf das Herz-Kreislauf-System können so analysiert und bewertet werden.

Im Sommer 2021 haben Forschende die Sensoren aus dem SmartTex am Boden im DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln in der Forschungsanlage :envihab kalibriert. Dass sich Muskeln unter Schwerelosigkeit zurückbilden, ist bekannt. „Das Herz ist auch ein Muskel. Interessant wird dann zu sehen, ob und wie sich das Herz unter Weltraumbedingungen verändert. Deswegen messen wir die ballistokardiografischen Daten bei Matthias Maurer vor, während und nach dem Aufenthalt auf der ISS.“, erklärt Martin Drobczyk, Projektleiter am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen, „Besonders relevant wird das für langfristige bemannte Weltraummissionen zu Mond und Mars“. Im April 2022 wird dann die italienische Astronautin Samantha Cristoforetti zur ISS fliegen und dort ebenfalls das T-Shirt für Messungen tragen. „Uns freut es sehr, dass sowohl eine männliche als auch eine weibliche Versuchsperson das SmartTex tragen wird.  Ganz besonders interessant ist es für uns zu sehen, ob es Unterschiede bei den Messdaten eines Astronauten und einer Astronautin geben wird“, ergänzt Drobczyk.

Die Firma Hohenstein Laboratories hat das SmartTex entwickelt und zur Verfügung gestellt. Die Ballistokardiografie-Messung wird in Kooperation mit dem Raumfahrtunternehmen DSI Aerospace Technologie durchgeführt, von dem auch die Sensoren stammen. Medizinisch begleitet wird das Experiment durch die Medizinische Fakultät der Universität Bielefeld. Die ermittelten Daten werden innerhalb des Netzwerkes zwischengespeichert und in regelmäßigen Abständen vom Astronauten ausgelesen. Diese Datenpakete werden dann mittels der ISS-Verbindung zur Erde transferiert, wo das DLR-Forschungsteam diese auswertet.

Für die Zukunft ist ein Technologietransfer des SmartTex zu Anwendungen im Bereich Fitness und Telemedizin denkbar.

Drahtloses Netzwerk auf der ISS

Wireless Compose-2 (WICO2) ist die Fortsetzung des erfolgreichen ISS-Experiments Wireless Compose, einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk zum effizienten Auslesen von Sensoren und zur Lokalisation von Objekten innerhalb der ISS. Ziel ist die Bereitstellung einer flexiblen und anpassbaren drahtlosen Netzwerkinfrastruktur zur Durchführung von Experimenten mit geringem Stromverbrauch sowie Gewicht und drahtloser Datenübertragung. Die Hardware des WICO2-Netzwerks besteht aus lediglich fünf Modulen die zusammen gerademal ein Kilogramm wiegen. Jedes einzelne Modul ist ungefähr so groß sind wie eine Zigarettenschachtel. Der Transport zur ISS ist mit dem Versorgungsflug SpaceX CRS-24 geplant, der voraussichtlich im Dezember 2021 startet.

Die Kommunikation innerhalb des Netzwerks basiert auf der Ultra-Breitband-Technologie. Diese ist besonders gut und wenig störanfällig in metallischen, reflektierenden Umgebungen, wie der ISS. Ein weiteres Feature ist die Ermittlung von Laufzeiten der ausgesendeten Pulse, um so eine Entfernungsmessung durchzuführen. Dies ermöglicht eine Bestimmung der Position auf zehn Zentimeter genau von Astronautinnen und Astronauten sowie Gegenständen.

Aktuell bezieht das Netzwerk seinen Strom noch aus Batterien. Zukünftig soll es seine Energie durch sogenanntes Energy Harvesting aus dem Licht auf der ISS selbst gewinnen. Christian Strowik vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme untersucht, welche Solarzellen am effizientesten Strom aus dem Kunstlicht der ISS erzeugen können: „Auf der ISS erfolgt die Beleuchtung größtenteils über handelsübliche Leuchtstoffröhren. Diese verändern bei längerem Gebrauch ihr Lichtspektrum. Wir wollen nun validieren, welche Solarzellen am besten geeignet sind, um unser Netzwerk mit Strom zu versorgen.“ Unabhängig von den Solarzellen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Elektronik des gesamten Netzwerks effizienter machen. „Sobald wir passende Solarzellen gefunden haben, werden wir Speichermöglichkeiten untersuchen. Die Energie wollen wir möglichst lange sichern und die Aktivität im Netzwerk auch vom Ladezustand des Speichers abhängig machen", ergänzt Strowik. Dies soll dazu beitragen, die Wartungshäufigkeit noch weiter zu reduzieren.

Wireless Compose-2 ist ein update-fähiges und anpassungsfähiges Netzwerk und bietet damit eine Infrastruktur für zukünftige wissenschaftliche und bio-medizinische Experimente.

Kontakt
  • Jana Hoidis
    Kom­mu­ni­ka­ti­on Bre­men, Bre­mer­ha­ven, Ham­burg, Ol­den­burg, Geest­hacht
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Kom­mu­ni­ka­ti­on und Pres­se
    Telefon: +49 421 24420-1908
    Am Fallturm 9
    28359 Bremen
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  • Martin Drobczyk
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Raum­fahrt­sys­te­me
    Robert-Hooke-Str. 7
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  • Christian Strowik
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
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Ballistokardiografie

Bei der Ballistokardiografie werden Körperbewegungen bzw. -erschütterungen registriert, die durch Kontraktion des Herzens und Bewegung des Blutstroms entstehen und dem Blutstrom entgegengerichtet sind. Mit Ballistokardiografie lassen sich beispielsweise Puls und Blutdruck messen.

Energy Harvesting

Als Energy Harvesting bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Licht, Vibrationen oder Luftströmungen.

:envihab

Environmental habitat. Das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln beabsichtigt, im Rahmen der NRW-Initiative Regionale 2010 den Neubau einer der Öffentlichkeit in Teilbereichen zugänglichen wissenschaftlichen Forschungsanlage, genannt "envihab", zu realisieren. Die Forschungsanlage soll sich langfristig mit den komplexen Fragestellungen eines geschlossenen Lebenserhaltungssystems und der Wechselwirkung Mensch und Umwelt befassen.