Herausforderungen für die Lebenswissenschaften und Beiträge aus dem DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin

Jens Jordan^{a, c}, Daniel Aeschbach^a, Thomas Berger^a, Eva-Maria Elmenhorst^a, Christine E. Hellweg^a, Ruth ­Hemmersbach^a, Peter Maschke^b, Ralf Möller^a, Yvonne Pecena^b, Jörn Rittweger^a, Claudia Stern^a, Jens Tank<sup>a

a</sup> Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Köln
^b Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Hamburg
^c Lehrstuhl für Luft- und Raumfahrtmedizin, Universität zu Köln

 

Einleitung

In den letzten Jahrzehnten lag der Schwerpunkt der bemannten Raumfahrt auf Missionen im erdnahen Orbit. Die deutsche Raumfahrtmedizin hat sich dabei auf wissenschaftliche Entwicklungen und Anwendungen konzentriert, die Erkenntnisse für das Leben auf der Erde generieren. Zurzeit geschehen diese Missionen ausschließlich auf der Internationalen Raumstation (ISS). Insbesondere in den USA werden jetzt Pläne forciert, den Menschen zurück auf den Mond zu bringen und, anders als bei den Apollo-Missionen, dort kontinuierlich präsent zu bleiben. Ob es zum Aufbau einer Mondstation oder einer tiefer im Weltraum gelegenen Raumstation (Deep Space Gateway) kommen wird, ist noch unklar. Langfristig soll der Mond als Sprungbrett zur humanen Exploration anderer Himmelskörper, in erster Linie des Mars, dienen. Dies ist eine Herkulesaufgabe für die Menschheit, die nur in internationaler Kooperation zu bewältigen ist. Wie und ob die finanziellen Mittel zur Verfügung gestellt und welche Länder sich an dieser Initiative beteiligen werden, ist noch unklar. Anders als in der Vergangenheit werden nicht nur nationale Raumfahrtagenturen, sondern auch private Unternehmen involviert sein.

Für die lebenswissenschaftliche Forschung einschließlich Biologie, Medizin und Psychologie ergeben sich neue Herausforderungen und Chancen. Wie passt sich der Mensch an die Umweltbedingungen auf langen Weltraummissionen und auf anderen Himmelskörpern an? Welche Technologien sind erforderlich, um Leistungsfähigkeit und Gesundheit zu erhalten? Diese Übersichtsarbeit setzt den Fokus auf lebenswissenschaftliche Forschungsschwerpunkte, die das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin beiträgt.

Umweltbedingungen bei humaner Exploration des Weltraums

Die Interaktion von Umweltfaktoren und genetischer Prädisposition bestimmen die Gesundheit und Leistungsfähigkeit des Menschen. An die harschen Umweltbedingungen in der Raumfahrt ist der Mensch evolutionsbedingt nicht angepasst. Ohne Gegenmaßnahmen kommt es auch bei gesunden Menschen zu Einschränkungen von Leistungsfähigkeit und Gesundheit. Zu diesen Umwelteinflüssen zählen unter anderem reduzierte Schwerkraft, erhöhte Strahlenexposition, veränderte Atmosphärenbedingungen, veränderte Tag-Nacht-Rhythmen und Isolation.

Gravitationsbedingungen und Strahlenexposition im freien Weltraum und auf dem Mond unterscheiden sich grundlegend von Bedingungen auf der Erde. Bei einem Flug zum Mond und beim Aufenthalt auf seiner Oberfläche ist zu berücksichtigen, dass sich das Strahlenfeld im Vergleich zum erdnahen Orbit erheblich unterscheidet. Infolge des Wegfalls des Schutzes durch das Erdmagnetfeld sind Astronauten im freien Weltraum und auf dem Mond kontinuierlich der galaktischen kosmischen Strahlung ausgesetzt. Außerdem sind sie schlechter gegen solare Teilchenereignisse geschützt. Während auf der ISS Dosiswerte von rund 0,7 mSv/d erreicht werden [3], beträgt die Strahlungsdosis im interplanetaren Raum etwa 2 mSv/d [52]. Für Astronauten auf der Mondoberfläche wurde die Strahlungsexposition rechnerisch mit 0,6 mSv/d abgeschätzt. Erste Strahlungsmessungen im Orbit des Mondes sind erfolgt. Daten von der Mondoberfläche werden seit Januar 2019 erhoben. Erhöhte Strahlenexposition birgt langfristige Gesundheitsrisiken wie Kanzerogenese, Kataraktogenese und degenerative Erkrankungen z. B. des Zentralnervensystems [34]. Zur Abschätzung dieser Risiken ist die Messung der Tiefendosisverteilung im Menschen erforderlich [37]. Deshalb werden wir zwei weibliche Phantome einsetzen, um die gewichteten Organdosen auf der ersten Orion-Mission der NASA zu bestimmen (Abbildung 1).

Eines der beiden Phantome wird eine spezielle Strahlenschutzweste tragen. Insgesamt steht die biologische Strahlenforschung bei der Bewertung der Risiken der Weltraumstrahlung weiterhin vor großen Herausforderungen [21]. Sowohl auf der Mondoberfläche als auch auf der Reise zum Mond besteht das Risiko einer akuten Ganzkörperexposition mit hochenergetischen Protonen bei solaren Teilchenereignissen. Bei unzureichender Abschirmung könnte eine akute Strahlenkrankheit auftreten [22]. Für Mondmissionen sind deshalb ein Warnsystem für solare Teilchenereignissen und ein geeigneter Schutzraum im Raumfahrzeug bzw. auf der Mondoberfläche erforderlich. Da galaktische kosmische Strahlung mit derzeit verfügbaren technischen Systemen nicht hinreichend abgeschirmt werden kann, sind für die weitere Exploration des Weltraums andere Ansätze erforderlich. So sollte das individuelle Risiko einer Strahlenexposition, das sich aus Strahlendosis, genetischer Prädisposition und begleitenden Umweltfaktoren ergibt, besser abgeschätzt werden. Wünschenswert wären nicht-pharmakologische und pharmakologische Gegenmaßnahmen, die Strahlenfolgen auf zellulärer Ebene eindämmen.

Während im freien Weltraum schwerelose Bedingungen herrschen, beträgt die Schwerkraft auf der Mondoberfläche ein Sechstel der Erdschwerkraft. Die veränderte Schwerkraft im Weltraum und auf dem Mond wirkt einerseits direkt auf die Zellen und andererseits indirekt durch veränderte mechanische Belastung des Gesamtorganismus. Um die Wirkung reduzierter Schwerkraftbedingungen auf zellulärer Ebene zu untersuchen, haben wir ein Niedergeschwindigkeits-Zentrifugenmikroskop für den Einsatz im Weltraum konzipiert, womit erste Schwellenwerte für die zelluläre Schwerkraftwahrnehmung ermittelt werden konnten. Zusammen mit auf Höhenforschungsraketen gewonnenen Befunden wurden Schwellenwerte für die zelluläre Schwerkraftwahrnehmung gemessen, die in der Größenordnung von Mond- und Marsbeschleunigungen liegen. Untersuchungen der Schwerkraftwahrnehmung auf der Kurzarmzentrifuge am DLR zeigen ähnliche Schwellenwerte für das menschliche Gleichgewichtsorgan [18]. Insgesamt stellt sich die Frage, wie sich die deutlich reduzierte Schwerkraft langfristig auf den Körper auswirkt und welche Gegenmaßnahmen geeignet sind, die Funktion des Herz-Kreislaufs und des muskuloskelettalen Systems sowie die Koordination zu erhalten.

Die mikrobielle Umwelt

Das Zusammenspiel zwischen mikrobieller Umwelt und dem Menschen ist in der Raumfahrt erheblich verändert. Einerseits kommt es zu Funktionsänderungen des menschlichen Immunsystems im Weltraum [13], andererseits wirken die besonderen Umweltbedingungen in der Raumfahrt auf Mikroorganismen [44]. Neben pathogenen Organismen kann dies auch die Zusammensetzung der humanen Mikrobiota, der Gesamtheit der mikrobiellen Besiedlung im und auf dem Körper, beeinflussen [15]. Die Mikrobiota haben einen erheblichen Einfluss auf physiologische Prozesse im Körper [25]. Neben direkten Auswirkungen auf den Menschen kann die mikrobielle Flora eines Raumfahrzeugs oder eines Habitats auch Schäden an Materialen verursachen. Durch Bildung von Biofilmen können sich Mikroorganismen gegenüber Antibiotika und Desinfektionsmitteln schützen. Eigene Untersuchungen unter realen Raumfahrtbedingungen sprechen dafür, dass die Bildung von Biofilmen bei reduzierter Schwerkraft verstärkt ist (Abbildung 2).

In der bemannten Raumfahrt sind Biofilme zusätzlich problematisch, da sie mechanisch schwieriger zu beseitigen sind. Eine Methode zur Eindämmung der Ausbreitung von opportunistisch pathogenen Mikroorganismen, die sowohl für Anwendungen in der Raumfahrt als auch auf der Erde geeignet wäre, ist der Einsatz antimikrobieller Oberflächen mit und ohne Nanostrukturen [17], [51].

Herausforderungen durch Volumenverschiebungen und Anpassungen des Herz-Kreislauf-Systems

In der Raumfahrt treten durch die Interaktion von Schwerelosigkeit mit anderen Umwelteinflüssen, wie zum Beispiel veränderte Atmosphärenbedingungen und kosmische Strahlung, akute und chronische Veränderungen des Herz-Kreislauf-Systems auf. Diese Veränderungen stellen insbesondere bei Exploration anderer Himmelskörper eine Herausforderung dar. Dazu zählen Reduktionen der kardiovaskulären Leistungsfähigkeit, Orthostaseintoleranz, chronische Volumenverschiebungen zum Kopf und vorzeitige Gefäßalterung.

Für das Herz-Kreislauf-System sind die ersten Tage in der Schwerelosigkeit eine Herausforderung. Die Flüssigkeitsverlagerung in die obere Körperhälfte führt zu deutlich sicht- und spürbaren Veränderungen in Form von Ödemen im Gesicht und Schwellungen der Schleimhäute in den Nasenneben- und Kieferhöhlen. Der zentrale Venendruck ist paradoxerweise deutlich reduziert [6]. Obwohl sich über Kreislaufreflexe und Volumenregulation innerhalb weniger Tage ein neues Gleichgewicht einstellt, bleibt eine relative Volumenverschiebung zum Oberkörper erhalten, was zu Veränderungen am Auge und Gehirn – dem sogenannten Space Associated Neuro-­Ocular Syndrome (SANS) – beiträgt. Bei längerfristigen Aufenthalten in der Schwerelosigkeit nimmt der diastolische Blutdruck ab und das Herzminutenvolumen pendelt sich bei Werten zwischen denen im Liegen und Sitzen auf der Erde ein [33]. Ohne geeignete Gegenmaßnahmen kommt es aufgrund der Entlastung sowohl unter realen als auch unter simulierten Weltraumbedingungen zu einer kardialen Atrophie [35]. Um die Mechanismen besser zu verstehen und in medizinische Anwendungen auf der Erde zu übersetzen, untersuchen wir klinische Modelle für kardiale Entlastung wie Herzunterstützungssysteme [19] und für kardiale Überlastung wie Hypertonie und Adipositas [20].

Die chronischen Anpassungsvorgänge des Herz-Kreislauf-Systems im Weltraum gehen mit einer Orthostaseintoleranz nach Rückkehr auf die Erde einher, die sich innerhalb weniger Tage weitgehend normalisiert [43]. Bei Betreten eines anderen Himmelskörpers wie dem Mond könnte eine transiente Orthostaseintoleranz jedoch fatale Auswirkungen haben. Deshalb untersuchen wir die Kreislaufregulation im Stehen unter simulierten Gravitationsbedingungen von Mars und Mond bei Parabelflügen [2]. Die chronischen Wirkungen partieller Schwerkraft sind weitgehend unbekannt und erfordern die Etablierung neuer terrestrischer humaner Modelle.

Die Anzahl von Menschen, die sich bislang für längere Zeit im Weltraum aufgehalten haben, ist für belastbare Aussagen hinsichtlich des kardiovaskulären Erkrankungsrisikos zu gering. Es wurden jedoch Veränderungen von kardiovaskulären Biomarkern wie eine zunehmende Gefäßsteifigkeit der Arteria carotis beschrieben [23]. In der terrestrischen Medizin gelten diese Veränderungen als Zeichen einer frühen Gefäßalterung [26]. Ob durch die Interaktion von Dekonditionierung, Stoffwechselveränderungen und Strahlenbelastung bei langen Weltraummissionen klinisch bedeutsame Veränderungen des Herz-Kreislauf-Systems auftreten können, untersuchen wir an terrestrischen Modellen und im Weltraum.

Um akute und chronische Wirkungen simulierter raumfahrtrelevanter Umweltbedingungen auf das Herz-Kreislauf-System hochsensitiv zu erfassen, wenden wir innovative Bildgebungsverfahren an, die nicht in der klinischen Routine verfügbar sind. Eine besonders vielversprechende Methode ist die funktionelle Bildgebung des Hirnstamms, der für die akute Anpassung der Kreislaufregulation an die Umweltbedingungen von zentraler Bedeutung ist (Abbildung 3) [16]. Chronische Wirkungen auf kardiovaskuläre Funktion und Struktur können wir mit der funktionellen kardialen Magnetresonanztomographie erfassen.

Augenveränderungen – das Space Associated Neuro-ocular Syndrome

Die Augengesundheit ist für fliegendes Personal von besonderer Bedeutung. Augenbefunde können aber auch pathologische Veränderungen der kleinen Blutgefäße und Erkrankungen des Zentralnervensystems – zum Beispiel erhöhten Hirndruck – anzeigen. Im Jahre 2008 wurden die ersten Fälle von Augenveränderungen bei Astronauten bei Langzeitmissionen berichtet [31]. Etwa 60 % der Astronauten zeigten ophthalmologische Veränderungen wie eine Bulbusabflachung und eine damit verbundene Hyperopisierung, verbreiterte Optikusscheide, Papillenödem, Aderhautfalten und Cotton Wool Spots. Diese Befunde, die als Space Associated Neuro-occular Syndrome (SANS) bezeichnet werden, können passager sein, aber auch über Jahre bestehen bleiben. Als Ursachen werden unter anderem die durch die Mikrogravitation hervorgerufenen Flüssigkeitsverschiebungen [49], ein veränderter Druckgradient zwischen Auge und Hirn, erhöhte Kohlendioxidwerte und eine erhöhte Kochsalzzufuhr diskutiert. Da die Ursachen noch nicht bekannt und bisher keine Gegenmaßnahmen verfügbar sind, besteht insbesondere vor dem Hintergrund geplanter Langzeitmissionen zum Mond und Mars Handlungsbedarf.

Im Rahmen einer gemeinsamen Studie mit der NASA (VaPER = VIIP and Psychological :envihab Research) wurden Bedingungen auf der ISS mittels Bettruhe in konsequenter Kopftieflage und erhöhter Kohlendioxidkonzentration in der Atemluft (0,5 %) simuliert. Dabei waren avancierte Augenuntersuchungen, die wir in ähnlicher Weise bei Astronauten vor und direkt nach der Mission durchführen, von besonderem Interesse. So können mittels der sogenannten Ocular Optical Coherence Tomography auf 5 µm genau die Netzhaut- und Sehnervendicke vermessen und Veränderungen quantitativ dargestellt werden. Bei einem Teil der Probanden konnten tatsächlich Augenveränderungen nachgewiesen werden [30]. Dieses terrestrische humane Modell kann jetzt dafür eingesetzt werden, die Mechanismen von SANS zu charakterisieren und daraus gezielte Gegenmaßnahmen abzuleiten. Aktuell führen wir mit der ESA und der NASA an unserem Zentrum die AGBRESA (Artificial Gravity Bed Rest – European Space Agency) Studie durch. Bei dieser Studie wird die Wirksamkeit künstlicher Schwerkraft auf der DLR-Kurzarmzentrifuge als Gegenmaßnahme unter anderem für Augenveränderungen getestet.

Muskel- und Knochenabbau bei verminderter Schwerkraft

In der Schwerelosigkeit erfolgt ein rascher Abbau der Muskulatur in den Beinen und im Rumpfbereich. Trotz intensiven Trainings von etwa zwei Stunden pro Tag kommt es nach sechs Monaten in Schwerelosigkeit auf der ISS zu einem Verlust von ungefähr 15 % der anfänglichen Muskelmasse in der Wade [38]. Zum Vergleich beträgt der Muskelschwund altersbedingt etwa 5 % pro Lebensjahrzehnt. Die Beinmuskulatur verliert aber nicht nur an Masse, sie büßt auch erheblich an „Qualität“ ein. Dieser Befund ist durch eine verringerte Konzentration und geänderte Anordnung kontraktiler Proteine erklärbar. Insgesamt ergibt sich ein deutlicher Verlust der muskulären Leistungsfähigkeit. Darüber hinaus kommt es auch zu negativen Auswirkungen auf den Stoffwechsel, die durch eine systemische Entzündungsreaktion verstärkt werden [7].

Auch die Knochen der Beine unterliegen im Weltraum deutlichen Abbauprozessen. In einem Zeitraum von sechs Monaten in der Schwerelosigkeit kann ein Viertel der Knochenmasse an der distalen Tibia verloren gehen [46]. Auf der Erde beträgt die Knochenabbaurate in den Wirbelkörpern postmenopausaler Frauen etwa 1 % pro Jahr, was mit einer deutlichen Erhöhung der Inzidenz von Frakturen einhergeht. Für Langzeit-Missionen wird die Unterbindung des Knochenschwundes also essenziell sein.

Als wichtigste Ursache für den Muskel- und Knochenabbau in der Schwerelosigkeit werden verminderte muskuloskelettale Kräfte angesehen, die für den Erhalt des Knochens [14], aber auch für Muskulatur und Sehnen von zentraler Bedeutung sind [40]. Sekundär wird dadurch auch das Herz-Kreislauf-System entlastet, was chronisch eine kardiopulmonale Dekonditionierung bewirkt.

Wird die reduzierte Schwerkraft auf dem Mond oder dem Mars ausreichen, um diese Veränderungen zu unterbinden? Studien auf der Erde, bei denen regionale Muskelkräfte in der Wade mittels eines passiven Exoskeletts auf ein Viertel reduziert wurden, haben zu einem deutlichen Muskelschwund – vergleichbar mit kompletter Bettruhe – geführt [47], [50]. Aktuell untersuchen wir, wie Gehen und Laufen bei verschiedenen Schwerkräften die Boden­reaktionskräfte, Dehnung der Achillessehne und die Sauerstoffaufnahme beeinflussen. Wir vermuten, dass diese Wachstumsreize für Muskel und Knochen auf dem Mond deutlich verringert sind, was ohne entsprechende Gegenmaßnahmen zu einer Einschränkung der Leistungsfähigkeit und Gesundheit führt. Zumindest im Tierversuch kann Strahlenbelastung die regenerative Kapazität des muskuloskeletalen Systems deutlich reduzieren [29]. Inwieweit dies auch bei weltraumrelevanten Strahlenbelastungen auftreten kann, untersuchen wir in unserem Institut.

Körperliches Training als Gegenmaßnahme

Körperliches Training ist für den Erhalt des Bewegungsapparates und der kardiopulmonalen Leistungsfähigkeit unter reduzierten Schwerkraftbedingungen von zentraler Bedeutung. Auf der ISS besteht das Trainingsprogramm derzeit aus einer Kombination von herkömmlichem Kraft- und Ausdauertraining. Auch wenn dieses Training klare Erfolge zeigt, ist es immer noch nicht komplett wirksam [41]. In Bettruhestudien haben sich auch ein Widerstands-Vibrationstraining und ein vertikales Sprungtraining als wirksame Gegenmaßnahme erwiesen [28], [39]. Die aus physiologischer Sicht wichtigen Größen im Trainingsplan sind die mechanische Leistung, Kraft und Dauer einer Übung. Für den Aufbau und Erhalt des Bewegungsapparates ist dabei insbesondere die Kraft von Bedeutung. Hohe Reaktionskräfte sind aber in der Schwerelosigkeit praktisch nicht zu erzeugen, was die unvollständige Wirksamkeit von Training erklären könnte. Für das Training auf dem Mond könnten prinzipiell Methoden angewendet werden, die sich auf der ISS als wirksam erwiesen haben. Alternativ könnten die verfügbaren 0,16 g auf intelligente Weise für neue Übungsformen genutzt werden. So wäre bei einem Sprungtraining, das besonders wirksam den Knochen- und Muskelabbau reduziert [28], die Flugphase gegenüber der Erde verlängert. Die Bodenkontaktphase und die daraus resultierenden Kräfte dürften sich jedoch kaum von den Bedingungen auf der Erde unterscheiden [48]. Diese Fragen adressieren wir durch Kombination humanphysiologischer Untersuchungen mit avancierten Computersimulationen.

Schlaf und kognitive Leistung

Seit Beginn der bemannten Raumfahrt stellt die Beeinträchtigung des Schlafs von Astronauten eine ungelöste Herausforderung dar. Gemäß einer Untersuchung an Astronauten der Space Shuttle- und ISS-Missionen betrug die tägliche Schlaflänge nur knapp sechs Stunden und nahm auch im Verlauf langer Missionen nicht zu, obwohl mehr als 50 % der Astronauten Schlafmittel verwendeten [1]. Während Lärm und beengte Platzverhältnisse bei früheren Missionen für den Schlafmangel eine große Rolle spielten, stehen derzeit und auf künftigen Missionen zum Mond andere Störfaktoren im Vordergrund. So weicht der Tag-Nacht-Zyklus auf der Mondoberfläche (Periodenlänge: 29,5 Tage) stark vom 24-Stundenzyklus auf der Erde und der Periodenlänge der endogenen zirkadianen Rhythmik des Menschen (ca. 24,15 Stunden [10]) ab. Das zirkadiane System des Menschen kann sich daran nicht anpassen.

Licht ist der wichtigste Zeitgeber des zirkadianen Systems, welches seinerseits den Schlaf-Wach-Rhythmus und eine Vielzahl körpereigener Rhythmen steuert. Es könnte vorteilhaft sein, für Astronauten auf dem Mond unter Verwendung von künstlichem Licht bzw. Lichtabschirmung einen 24-Stunden-Tag zu erzeugen. Licht von geeigneter Intensität und spektraler Zusammensetzung hat aber noch andere nicht-visuelle Wirkungen: es kann z. B. direkt die Ausschüttung von Hormonen, die Körpertemperatur, und die kognitive Leistungsfähigkeit beeinflussen [8]. Der gezielte Einsatz von künstlichem Licht (und von Dunkelheit) muss ein wichtiger Forschungsgegenstand sein, um Gesundheit und Leistungsfähigkeit auf einer künftigen Mission zum Mond zu maximieren. Ein weiterer Faktor, der möglicherweise den Schlaf von Raumfahrern beeinträchtigt, ist die Mikrogravitation, die z. B. zu einer Änderung der Körpertemperatur beitragen kann [42].

Chronischer Schlafmangel, wie er zwangsläufig bei einer Reise zum Mond mit dortigem Aufenthalt und Rückreise akkumuliert, wird die kognitive Leistung der Astronauten in einer Vielzahl kognitiver Domänen beeinträchtigen [45]. Dies betrifft sowohl Defizite bei der Durchführung komplexer Aufgaben (z. B. visuo-motorische Leistung bei Dockingmanövern) als auch einfachere und monotonere Tätigkeiten (z. B. Aufmerksamkeit bei Überwachungs- und Routinearbeiten), so dass das Risiko für Unfälle durch menschliches Fehlverhalten steigt. So wurden bei Astronauten auf der ISS Anzeichen erhöhter Müdigkeit und vermehrten Schlafdrucks im Elektroencephalogramm (EEG) sowie langsamere Reaktionszeiten bei einer Docking-Simulation festgestellt [36]. Verschärft wird das Risiko durch eine Fehlwahrnehmung der Müdigkeit und der eigenen Leistungsfähigkeit der von chronischem Schlafmangel betroffenen Personen, die in der Regel das eigene Leistungsvermögen überschätzen [9], [45].

Nicht jeder Mensch ist jedoch bei unzureichendem Schlaf im gleichen Maße durch Einbußen in der kognitiven Leistung eingeschränkt [12] und auch nicht alle kognitiven Domänen sind in gleicher Weise betroffen. Die Ursachen und Mechanismen, die diese inter-individuell unterschiedliche Anfälligkeit bedingen, sind bisher wenig verstanden. Wir konnten allerdings zeigen, dass das zerebrale adenosinerge System hier eine wesentliche Rolle spielt [11], [12] (Abbildung 5).

Die Selektion von Astronauten anhand der individuellen Gefährdung der kognitiven Leistung unter Schlafmangel wird ein notwendiger Schritt für Langzeitmissionen in der Raumfahrt sein. Forschungsbedarf besteht hinsichtlich des mechanistischen Verständnisses zu den Ursachen dieser individuell unterschiedlichen Anfälligkeit, der Prüfung von Biomarkern zur Erkennung von Personen, die besonders durch Beeinträchtigung ihrer Kognition gefährdet sind, und in der Entwicklung individualisierter Präventionsmaßnahmen.

Mensch-Maschine-Interaktionen und Wirkung von Isolation

Wir beschäftigen uns seit vielen Jahren mit Persönlichkeitsmerkmalen bei der Selektion von Astronautinnen und Astronauten [32]. Dennoch ist es nicht klar, welche psychologischen Faktoren den Menschen bei einer Mission zum Mond in seiner Leistungsfähigkeit und in seinem Wohlbefinden beeinflussen. Sowohl auf wissenschaftlicher als auch auf operativer Ebene liegt hier ein großer Erfahrungsschatz aus der bemannten Raumfahrt, insbesondere von Langzeitmissionen der ISS vor. Hervorzuhebende spezifische psychologische Charakteristika von Missionen zum Mond sind die große Entfernung von der Erde, die Isolation bzw. soziale Monotonie und die hohe Crewautonomie. Über Monate von Familie und Freunden getrennt zu sein, eingeschränkte Kommunikationswege zu vertrauten Personen sowie begrenzte Rückzugsmöglichkeiten ins Private stellen besondere Herausforderungen an die beteiligten Menschen [27]. Neben den Besonderheiten in der Mensch-Mensch-Interaktion ergeben sich auch spezifische Charakteristika in der Mensch-Maschine-Interaktion: Die Durchführung komplexer Experimente stellt oft besondere Anforderungen an die motorischen Fähigkeiten des Operateurs. Zudem sind die Experimente meist aufwändig, teuer und oft nicht einfach wiederholbar, was zusätzlichen psychischen Druck erzeugt.

Um den Missionsverlauf in einer solchen für den Menschen physisch und psychisch extremen Lebensbedingung bestmöglich zu unterstützen, sind eine anforderungsorientierte Personalauswahl, eine adäquate Teamkomposition, ein darauf aufbauendes Space Flight Team Ressource Management Training und eine entsprechende psychologische Begleitung erforderlich. Hierzu zählen Maßnahmen gegen soziale Monotonie und Isolation sowie ein psychologisches Monitoring- und Unterstützungssystem, welches unter anderem den Fokus auf Arbeitsbeanspruchung sowie auf Schlaf und ­seine Auswirkungen auf das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit hat. So können zum Beispiel Sprach­analysen Einblicke zur die individuellen Beanspruchung der Astronauten in der Raumfahrt geben [24]. Diese Themen sind weiterhin von großer Bedeutung, da psychologische Faktoren und fehlerhafte Mensch-Maschine Interaktionen in der Raumfahrt katastrophale Folgen haben können.

Lebenserhaltungssysteme

Geschlossene Lebenserhaltungssysteme, also das Schließen von Stoffkreisläufen und damit der Abbau von biologischem Abfall und die Erzeugung von frischen Nahrungsmitteln sind wichtige und entscheidende Herausforderungen, um Menschen für lange Zeit auf dem Mond am Leben zu erhalten. Der vom DLR entwickelte und gebaute Kompaktsatellit Eu:CROPIS testet erstmals für jeweils ein halbes Jahr ein biologisches Lebenserhaltungssystem unter Mond- und Marsgravitation. Dieses basiert auf dem im DLR konzipierte C.R.O.P.^® Bio-Filter, der in der Lage ist, eine Vielzahl von biologischen Abfallstoffen in eine für Pflanzen verfügbare Düngemittel­lösung umzuwandeln [4], [5]. Somit können Fäkalien und andere biologische Abfallstoffe zur Erzeugung neuer Nahrungsmittel nutzbar gemacht werden.

Ausblick

Die humane Exploration des Weltraums erfordert begleitende biologische, medizinische und psychologische Forschung. Nur so können Gesundheit und Leistungsfähigkeit der Crews und Erfolg der Missionen sichergestellt werden. Wie komplex die Anpassungsvorgänge des Menschen an Weltraumbedingungen sind, wird durch eine kürzlich erschienene hochrangige Publikation illustriert, die Ergebnisse einer umfassenden Charakterisierung eines eineiigen Zwillingspaars mittels moderner Methoden vorstellt [15]. Ein Zwillingsbruder verbrachte ein Jahr auf der ISS und der andere diente als Kontrolle auf der Erde. Für die Beantwortung der anstehenden Fragen ist neben innovativen Untersuchungsmethoden unter echten Weltraumbedingungen die Entwicklung avancierter terrestrischer Modelle erforderlich. Der Forschungscampus in Köln-Porz kann hier eine in Europa führende Rolle spielen. Zurzeit befinden sich dort das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin und das European Astronaut Center der European Space Agency. In naher Zukunft wird in direkter Nachbarschaft das ­Zentrum für Luft- und Raumfahrtmedizin der Luftwaffe seine Tätigkeit aufnehmen. Diese Entwicklungen werden die humane Exploration des Weltraums unterstützen und neue Antworten auf gesellschaftspolitisch relevante ­Themen auf der Erde, wie alternde Gesellschaften und Ressourcenverknappung, liefern.

Literatur

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