Seit Astronauten für längere Zeit ins All fliegen, ist bekannt, dass eine langfristige Exposition gegenüber Schwerelosigkeit oder Mikrogravitation ihren Anteil an gesundheitlichen Auswirkungen hat. Dazu gehören Muskelschwund und Verlust der Knochendichte, erstrecken sich aber auch auf andere Bereiche des Körpers, was zu einer verminderten Organfunktion, Durchblutung und sogar genetischen Veränderungen führt.
Aus diesem Grund wurden an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) zahlreiche Studien durchgeführt, um das Ausmaß dieser Auswirkungen zu ermitteln und mit welchen Strategien sie abgemildert werden können. nach a neue Studie die vor kurzem in der . erschienen Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaften ,ein Team von NASA- und JAXA-finanzierten Forschern hat gezeigt, wie künstliche Schwerkraft sollte ein wichtiger Bestandteil aller zukünftigen langfristigen Pläne im Weltraum sein.
Wie bereits erwähnt, wurde eine beträchtliche Menge an Forschung durchgeführt, um die Auswirkungen der Mikrogravitation auf den menschlichen Körper zu identifizieren und zu quantifizieren. Ein gutes Beispiel dafür ist der Zwillinge studieren durchgeführt von NASAs Humanforschungsprogramm (HRP), das die Auswirkungen auf den Körper des Astronauten Scott Kelly untersuchte, nachdem er ein Jahr an Bord der Internationale Raumstation – mit seinem Zwillingsbruder Mark Kelly als Kontrolle.
NASA-Astronautin Nicole Stott, Flugingenieurin der Expedition 20/21, ist in der Nähe des Mice Drawer System (MDS) im Kibo-Labor der Internationalen Raumstation ISS abgebildet. Bildnachweis: NASA
Diese und andere Studien haben bestätigt, dass die Exposition gegenüber Mikrogravitation nicht nur die Knochendichte und Muskelmasse, sondern auch die Immunfunktion, die Sauerstoffversorgung des Blutes, die kardiovaskuläre Gesundheit und sogar mögliche genomische und kognitive Veränderungen beeinflussen kann. Darüber hinaus kann die Sehkraft auch durch die Zeit im Weltraum beeinträchtigt werden, was darauf zurückzuführen ist, dass weniger Durchblutung und Sauerstoff in das Augengewebe gelangen.
Tatsächlich haben etwa 30 % der Astronauten auf kurzfristigen Space-Shuttle-Flügen (ca. zwei Wochen) und 60 % auf Langzeitmissionen zur ISS eine Sehbehinderung gemeldet. Als Reaktion darauf empfehlen Professor Michael Delp – Dekan des College of Human Sciences der Florida State University (FSU) und Co-Autor des Papiers – und seine Kollegen, die künstliche Schwerkraft in zukünftige Missionen zu integrieren.
Seit Jahren untersucht Delps mit Unterstützung der NASA den Einfluss der Schwerelosigkeit auf das Sehvermögen von Astronauten. Wie er kürzlich sagte FSU-Pressemitteilung :
„Das Problem ist, je länger die Astronauten im Weltraum sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie eine Sehbehinderung erleiden. Einige Astronauten werden sich von Sehstörungen erholen, andere jedoch nicht. Dies hat daher für die NASA und Weltraumbehörden weltweit hohe Priorität. Wir haben festgestellt, dass diese Anwendung der künstlichen Schwerkraft Veränderungen am Auge nicht vollständig verhindert, aber wir haben nicht die schlimmsten Ergebnisse gesehen.“
Außenansicht eines Stanford-Torus. Unten in der Mitte befindet sich der nicht rotierende primäre Sonnenspiegel, der das Sonnenlicht auf den abgewinkelten Ring der sekundären Spiegel um die Nabe reflektiert. Gemälde von Donald E. Davis
Um herauszufinden, ob die künstliche Schwerkraft diese Effekte abschwächen würde, hat sich Delp mit Forschern der Japanische Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung (JAXA) in einer allerersten Zusammenarbeit. Zu ihnen gesellten sich Professor Xiao Wen Mao (der Hauptautor der Studie) von der Linda Loma University sowie Mitglieder der University of Arkansas for Medical Sciences, des Arkansas Children’s Research Institute und der University of Tsukuba.
Das Team untersuchte dann Veränderungen im Augengewebe von Mäusen, die 35 Tage an Bord der ISS verbracht hatten. Die Testpersonen bestanden aus 12 neun Wochen alten männlichen Mäusen, die aus dem Kennedy Space Center geflogen und in der Maus untergebracht waren Habitat-Käfig-Einheit (HCU) in der JAXA „Kibo“-Labor auf der ISS. Während ihres Aufenthalts wurden die Mäuse in zwei Gruppen eingeteilt.
Während eine Gruppe unter Mikrogravitationsbedingungen der Umgebung lebte, lebte die andere in einer zentrifugalen Habitateinheit, die 1 . produziertegder künstlichen Schwerkraft (das Äquivalent der Schwerkraft der Erde). Dabei stellte das Forscherteam fest, dass die erste Gruppe Schäden an den Blutgefäßen erlitt, die für die Regulierung des Flüssigkeitsdrucks in den Augen wichtig sind.
„Wenn wir auf der Erde sind, zieht die Schwerkraft Flüssigkeit zu unseren Füßen.“ sagte Phelps . „Wenn Sie die Schwerkraft verlieren, verschiebt sich die Flüssigkeit in Richtung des Kopfes. Diese Flüssigkeitsverschiebung wirkt sich auf das Gefäßsystem im ganzen Körper aus, und jetzt wissen wir, dass sie auch die Blutgefäße im Auge betrifft.“
Stanford Torus-Schnittansicht. Die Rotation des Torus sorgt im Inneren für die erdnormale Schwerkraft. Bildnachweis: Rick Guidice/NASA
Darüber hinaus stellte das Team fest, dass sich die Proteinexpressionsprofile auch in den Augen der Mäuse infolge der Mikrogravitation verändert hatten. Im Vergleich dazu erlitten die Mäuse, die ihre Zeit in der Zentrifuge verbrachten, nicht annähernd so viel Schaden an ihrem Augengewebe. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass künstliche Schwerkraft, wahrscheinlich in Form von rotierenden Abschnitten oder Zentrifugen, eine notwendige Komponente für langfristige Weltraummissionen sein wird.
Der Einsatz künstlicher Schwerkraft im Weltraum ist konzeptionell nichts Neues. Abgesehen davon, dass es ein gut erforschtes Konzept in der Science-Fiction ist, haben Raumfahrtagenturen es als eine Möglichkeit untersucht, eine dauerhafte menschliche Präsenz im Weltraum zu etablieren. Ein leuchtendes Beispiel dafür ist der Stanford Torus Weltraumsiedlung , ein Hauptdesign, das von den 1975 NASA-Sommerstudie .
Als gemeinsame Anstrengung zwischen dem Ames Research Center der NASA und der Stanford University bestand dieses zehnwöchige Programm aus Professoren, technischen Direktoren und Studenten, die zusammenkamen, um eine Vision davon zu entwickeln, wie Menschen eines Tages in einer großen Weltraumkolonie leben könnten. Das Ergebnis war ein Konzept für eine radähnliche Raumstation, die sich drehen würde, um das Gefühl von entweder erdnormaler oder partieller Schwerkraft zu vermitteln.
Darüber hinaus wurden für Raumfahrzeuge rotierende Torus in Betracht gezogen, um sicherzustellen, dass Astronauten auf Langzeitmissionen ihre Zeit in der Schwerelosigkeit begrenzen können. Ein gutes Beispiel dafür ist der Nicht-atmosphärischer Universaltransport für langwierige US-Erkundungen (Nautilus-X), ein Raumfahrzeugkonzept für mehrere Missionen, das 2011 von den Ingenieuren Mark Holderman und Edward Henderson vom Technology Applications Assessment Team der NASA entwickelt wurde.
Eine globale Ansicht des von der NASA entwickelten Multimissions-Weltraumforschungsfahrzeugs Nautilus-X. Bildnachweis: Mark L Holderman – NASA Technology Applications Assessment Team
Wie bei früheren Forschungen unterstreicht diese Studie die Bedeutung der Erhaltung der Gesundheit von Astronauten während langfristiger Missionen im Weltraum sowie auf Langzeitreisen. Diese Studie zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass sie die erste in einer Reihe ist, die darauf abzielt, Sehstörungen bei Astronauten besser zu verstehen.
„Wir hoffen, dass die fortgesetzte starke wissenschaftliche Zusammenarbeit uns dabei helfen wird, die experimentellen Ergebnisse zu sammeln, die für die Vorbereitung auf die zukünftige bemannte Erforschung des Weltraums erforderlich sind“, sagte Dai Shiba, ein leitender Forscher bei JAXA und Mitautor des Papiers. Mao, die Hauptautorin der Studie, deutete auch an, dass sie hofft, dass diese Forschung über die Erforschung des Weltraums hinausgeht und hier auf der Erde Anwendung findet:
„Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse nicht nur die Auswirkungen der Raumfahrtumgebung auf die Augen charakterisieren, sondern auch zu neuen Heilmitteln oder Behandlungen für raumfahrtbedingte Sehprobleme sowie mehr erdgebundene Erkrankungen wie altersbedingte Makuladegeneration und Retinopathie beitragen werden.“
Es besteht kein Zweifel, dass in Bezug auf die Zukunft der Weltraumforschung viele Herausforderungen vor uns liegen. Wir müssen nicht nur Raumfahrzeuge entwickeln, die Treibstoffeffizienz und Leistung vereinen, sondern wir müssen auch die Kosten einzelner Starts senken und Wege finden, die Gesundheitsrisiken von Langzeitmissionen zu mindern. Neben den Auswirkungen der Mikrogravitation gibt es auch das Problem der längeren Exposition gegenüber Sonnen- und kosmischer Strahlung.
Und vergessen wir nicht, dass Missionen zur Mondoberfläche und zum Mars mit einer langfristigen Exposition gegenüber geringerer Schwerkraft zu kämpfen haben, insbesondere wenn es um Außenposten geht. Es wäre daher nicht weit hergeholt, sich vorzustellen, dass Tori und Zentrifugen in naher Zukunft zu einem festen Bestandteil der Weltraumforschung werden könnten!
Weiterlesen: FSU-Nachrichten , Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaften .
