Anfang März 2016 kehrte der Astronaut Scott Kelly zur Erde zurück, nachdem er den amerikanischen Rekord für einen ununterbrochenen Aufenthalt im All gebrochen hatte – 340 Tage. Ziel seiner Mission zur Internationalen Raumstation war es, besser zu verstehen, wie der menschliche Körper auf die raue Weltraumumgebung reagiert und sich ihr anpasst. Die Studie soll dazu beitragen, diese Risiken zu verringern, um bemannte Forschungsmissionen zum Mond, möglicherweise zu Asteroiden und schließlich zum Mars vorzubereiten. Hier wird erörtert, wie der Körper auf die Weltraumumgebung reagiert, welche Probleme dort auftreten und wie wir damit umgehen können.
Die gesundheitlichen Auswirkungen der Raumfahrt
Der Sänger David Bowie schrieb „Space Oddity“ und beschrieb darin die Erfahrungen des Astronauten Major Tom: „I am floating in a most peculiar way“. Der Hauptunterschied zwischen dem Weltraum und der Erde besteht darin, dass es im Weltraum fast keine Schwerkraft gibt, was ein Gefühl der Schwerelosigkeit hervorruft und dazu führt, dass sich das Raumschiff oder die Raumstation, in der sich der Astronaut befindet, im freien Fall in Richtung Erdmittelpunkt befindet. Der freie Fall ist die Bewegung eines Körpers, auf den nur die Schwerkraft einwirkt. Da sich das Shuttle oder die Raumstation nur durch die Schwerkraft um die Erde bewegt (im Weltraum gibt es keinen Luftwiderstand), kann man sagen, dass sie sich in einem Zustand des freien Falls befinden. Der Grund dafür, dass sie nicht wirklich „fallen“, sondern sich auf einer Kreisbahn bewegen, liegt darin, dass die Schwerkraft senkrecht zur Richtung ihrer Anfangsgeschwindigkeit wirkt, so dass sie nur die Richtung der Geschwindigkeit, nicht aber ihre Größe beeinflusst.
Astronauten werden für die Bedingungen trainiert, indem sie in einem Flugzeug mit reduzierter Schwerkraft üben, das auf einer speziellen Parabelstrecke fliegt. Das Training hilft ihnen, im Weltraum zu funktionieren, verhindert aber nicht die schädlichen Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf die Gesundheit. Studien an Menschen, die lange Zeit auf Raumstationen verbracht haben, haben gezeigt, dass einige der Auswirkungen nur vorübergehend sind, während andere eher langfristig sind.
Kurzzeitige Exposition gegenüber der Schwerelosigkeit verursacht das Weltraumanpassungssyndrom (SAS) oder die „Weltraumkrankheit“, die das häufigste Problem in der Raumfahrt ist. Die Schwerelosigkeit beeinträchtigt unsere Orientierung im Weltraum und verlangt von uns, dass wir viele unserer physiologischen Prozesse an die neuen Bedingungen anpassen – hauptsächlich Prozesse, die mit unserem Gleichgewichtssystem zusammenhängen. Wenn die Anpassung nicht vollständig gelingt, kommt es zu Übelkeit, Schwindel, Erbrechen, Kopfschmerzen, Müdigkeit, allgemeinem Unwohlsein, visuellen Halluzinationen und Desorientierung im Weltraum.
Der erste Bericht über derartige Symptome stammt von dem sowjetischen Kosmonauten Gherman Titov, der seinen Flug Ende 1961 als vierter Mensch im Weltraum und als zweiter nach Juri Gagarin mit einer vollständigen Erdumdrehung abschloss. Die bisher gesammelten Daten haben gezeigt, dass etwa 45 Prozent der Weltraumreisenden an Weltraumkrankheit leiden. Sie hält jedoch selten länger als drei Tage an, wenn sich der Körper an die neue Umgebung anpasst.
Langfristige Exposition gegenüber der Schwerelosigkeit verursacht zahlreiche Gesundheitsprobleme, darunter die Umverteilung von Flüssigkeiten und den Verlust von Knochen- und Muskelmasse. Im Laufe der Zeit können diese Auswirkungen die Leistungsfähigkeit von Astronauten beeinträchtigen, was das Risiko erhöht, dass sie verletzt werden, und ihre Fähigkeit zur Sauerstoffaufnahme verringern, was ihre Herz-Kreislauf-Aktivität verlangsamt.
Umverteilung von Flüssigkeiten
Flüssigkeiten, die etwa 60 Prozent des menschlichen Körpergewichts ausmachen, sammeln sich unter dem Einfluss der Schwerkraft eher im unteren Teil des Körpers an, und im Laufe der Evolution haben wir Systeme entwickelt, die den Blutfluss zu Herz und Gehirn ausgleichen, während wir stehen. Diese Systeme arbeiten auch bei fehlender Schwerkraft weiter, so dass sich die Flüssigkeit im oberen Teil des Körpers ansammelt. Dies ist der Grund, warum Astronauten geschwollene Gesichter haben. Die Flüssigkeitsansammlung im Auge führt auch dazu, dass sie einige Tage lang unscharf sehen, bis das Gehirn lernt, dies zu kompensieren und das Bild zu korrigieren.
Die veränderte Flüssigkeitsverteilung äußert sich auch in Gleichgewichtsstörungen sowie einem Verlust des Geschmacks- und Geruchssinns. Noch wichtiger ist, dass sie eine Reihe von systemischen Effekten auslöst, die den Körper an die neue Umgebung anpassen sollen, die aber bei der Rückkehr zur Erde gefährliche Folgen haben. Eine davon ist die „orthostatische Intoleranz“, d. h. die Unfähigkeit, länger als zehn Minuten am Stück ohne Hilfe zu stehen, ohne ohnmächtig zu werden.
Das Phänomen ist zum Teil auf Veränderungen in der Blutdruckregulierung durch das autonome Nervensystem und den Verlust von etwa 20 Prozent des Volumens der Blutflüssigkeit zurückzuführen – denn unter den Bedingungen der Mikrogravitation ist es nicht notwendig, dass die Systeme den Blutdruck aufrechterhalten, da sich die Körperflüssigkeit gleichmäßiger im Körper verteilt. Dieser Effekt verstärkt sich, je länger man sich im Weltraum aufhält, normalisiert sich aber innerhalb weniger Wochen nach der Rückkehr zur Erde wieder.
Auch das Herz degeneriert allmählich, da es weniger Blut pumpen muss. Ein schwächerer Herzmuskel führt zu einem Abfall des Blutdrucks und kann die Sauerstoffversorgung des Gehirns beeinträchtigen.
Reguläres Widerstandstraining ist für den Erhalt der Knochen- und Muskelmasse in der Schwerelosigkeit unerlässlich: NASA
Muskelschwund und Osteoporose
Eine der wichtigsten und langfristigsten Auswirkungen der Schwerelosigkeit ist der Verlust von Muskel- und Knochenmasse. Da die Rücken- und Beinmuskeln durch die fehlende Schwerkraft nicht belastet werden, beginnen sie zu schwächeln und zu schrumpfen. Einige Muskeln degenerieren schnell, und ohne regelmäßiges Training können Astronauten innerhalb von 5 bis 11 Tagen bis zu 20 % ihrer Muskelmasse verlieren.
Durch den fehlenden mechanischen Druck auf die Knochen geht die Knochenmasse in der Schwerelosigkeit in nur einem Monat um anderthalb Prozent zurück, verglichen mit etwa drei Prozent pro Jahrzehnt bei einem gesunden Menschen in einer normalen Umgebung. Der Masseverlust betrifft vor allem die unteren Wirbel der Wirbelsäule, das Hüftgelenk und den Oberschenkelknochen. Aufgrund der raschen Veränderung der Dichte können die Knochen brüchig werden und ähnliche Symptome wie bei Osteoporose aufweisen.
Auch die Zerstörungs- und Aufbauprozesse der Knochen ändern sich im Weltraum. Auf der Erde werden die Knochen regelmäßig durch ein ausgewogenes System von knochenzerstörenden Zellen und knochenaufbauenden Zellen zerstört und erneuert. Immer wenn ein Teil des Knochengewebes zerstört wird, treten neue Schichten an seine Stelle; diese beiden Prozesse sind aneinander gekoppelt. Im Weltraum ist jedoch aufgrund der fehlenden Schwerkraft eine erhöhte Aktivität der Knochenzerstörerzellen zu beobachten, und die Knochen zerfallen in Mineralien, die vom Körper aufgenommen werden.
Studien an Mäusen haben gezeigt, dass nach 16 Tagen in der Schwerelosigkeit die Zahl der Knochenzerstörerzellen zunimmt und die Zahl der Knochenaufbauzellen abnimmt, ebenso wie die Konzentration der Wachstumsfaktoren, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, die Bildung neuer Knochen zu fördern. Der Anstieg des Kalziumspiegels im Blut, der durch den sich auflösenden Knochen verursacht wird, führt zu einer gefährlichen Verkalkung der Weichteile und erhöht das Risiko der Nierensteinbildung.
Astronauten zeigen eine erhöhte Aktivität der Knochenzellen, insbesondere im Beckenbereich, der unter normalen Schwerkraftbedingungen normalerweise die meiste Last trägt. Im Gegensatz zu Osteoporose-Patienten erreichen Astronauten, die drei bis vier Monate im Weltraum verbracht haben, nach zwei bis drei Jahren auf der Erde wieder ihre normale Knochendichte.
Bewältigung der Auswirkungen der Schwerelosigkeit
Die beste Möglichkeit, die Auswirkungen der Schwerelosigkeit zu vermeiden, besteht darin, künstliche Schwerkraft zu erzeugen. Bisher ist es den Wissenschaftlern nur unter Laborbedingungen gelungen, Schwerkraft zu erzeugen, indem sie starke Magnetfelder oberhalb der zulässigen Sicherheitsniveaus verwendeten, was in der Raumfahrt natürlich nicht praktikabel ist. In der Science-Fiction wird jedoch häufig künstliche Schwerkraft eingesetzt. In dem Film „Der Marsianer“ zum Beispiel hat das Raumschiff, das zum Mars fliegt, eine rotierende kreisförmige Struktur, deren Schwerkraft 40 Prozent der Schwerkraft auf der Erde entspricht, was der Schwerkraft auf dem Roten Planeten ähnlich ist.
Medikamente, die zur Behandlung der Seekrankheit eingesetzt werden, die ebenfalls eine Folge von Bewegungsmustern ist, an die der Körper nicht gewöhnt ist, können auch bei der Behandlung der Weltraumkrankheit helfen, werden aber nur selten eingesetzt, weil der natürliche Anpassungsprozess während der ersten beiden Tage der Raumfahrt der Schläfrigkeit und anderen durch die Medikamente verursachten Nebenwirkungen vorgezogen wird.
Wenn die Astronauten jedoch einen Raumanzug tragen, verwenden sie Pflaster gegen Übelkeit, da Erbrechen im Anzug tödlich sein kann. Raumanzüge werden vor allem beim Start und bei der Landung getragen, und natürlich bei allen Aktivitäten außerhalb des Raumschiffs (Weltraumspaziergänge). Um dem Team die Möglichkeit zu geben, sich an die Bedingungen im Weltraum anzupassen, sind Aktivitäten außerhalb des Raumfahrzeugs oder der Raumstation in den ersten Tagen der Mission normalerweise nicht geplant. Dadurch wird die Gefahr des Erbrechens im Raumanzug vermieden, und die Pflaster dienen in der Regel nur zur Unterstützung.
Um einige der negativen Auswirkungen der fehlenden Schwerkraft auf die Muskeln, insbesondere den Herzmuskel, zu verringern und zu vermeiden, ist die Internationale Raumstation mit Sportgeräten für das Krafttraining ausgestattet. Jeder Astronaut muss täglich mindestens zwei Stunden Sport treiben, unter anderem auf einem Laufband (an dem er sich mit Gummibändern festhält, um nicht wegzuschweben), auf einem stationären Fahrrad und mit Gewichten, natürlich gegen Federn. Astronauten auf besonders langen Missionen tragen Hosen, die Druck auf die Beinknochen ausüben, um den Verlust an Knochendichte zu verringern.
Die NASA verwendet fortschrittliche Berechnungsinstrumente, um zu verstehen, wie die Degeneration von Muskeln und Knochen bei Astronauten, die sich im Weltraum in der Schwerelosigkeit aufhalten, am besten aufgehalten werden kann. Computersimulationen werden vor allem verwendet, um die Auswirkungen von Übungen auf die Torsion (Drehmomente) von Knochengelenken zu bewerten und optimale Übungsprogramme für Astronauten zu empfehlen.
Hoffentlich werden die von Scott Kelly während seines langen Aufenthalts im Weltraum gesammelten Informationen mehr Licht auf die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf die menschliche Gesundheit werfen und könnten dazu beitragen, viele der Probleme zu vermeiden, mit denen Astronauten nach ihrer Rückkehr zur Erde konfrontiert sind. Seine Mission war einzigartig in ihrer Länge, die es ermöglicht, die Auswirkungen von Langzeiteffekten der Raumfahrt zu untersuchen, die bisher nicht getestet wurden.
Eine angenehme Erinnerung: David Bowie, Space Oddity