Parabelflüge des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt ermöglichen Radfahrtraining unter Weltraumbedingungen
26.08.2003
Die Schienbein- und Wadenmuskulatur wird beim Training auf dem Fahrradergometer unter Schwerelosigkeit völlig anders belastet als unter dem Einfluss der Erdanziehung. Dies ist ein erstes Ergebnis einer Untersuchung von Wissenschaftlern der Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), das gerade im Hinblick auf zukünftige längere Weltraumflüge von Bedeutung ist. "Unsere Trainingsgeräte wirken hier auf der Erde ganz anders als im schwerelosen Raum", erklärt Medizinphysiker Dr. Friedrich Bodem, Leiter des Biomechaniklabors der Orthopädischen Klinik und Poliklinik, der gemeinsam mit PD Dr. Andrea Meurer für das Forschungsprojekt "Untersuchung der Muskelaktivität beim Training auf einem Fahrradergometersystem in Mikrogravitation" verantwortlich zeichnet. "Die Schienbeinmuskulatur wurde bei allen Probanden viel stärker aktiviert als die Wadenmuskulatur. Das hat uns sehr überrascht."
Das Team um Bodem und Meurer hat im Juni 2003 an der fünften Parabelflugmission des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) teilgenommen. Bei diesen Flügen steigt ein Airbus A300 in die Luft und führt über dem Nordatlantik spezielle Manöver durch: In einer Höhe von 6.000 Metern beginnt der Testpilot einen Steilflug mit voller Schubkraft, bei einem bestimmten Winkel werden die Motoren gedrosselt und das Flugzeug fliegt dann entlang einer Parabel durch die Luft. Für 22 Sekunden herrscht in der Kabine Schwerelosigkeit. Dann fängt der Pilot die Maschine im Sturzflug nach unten wieder ab und bringt sie in die Waagrechte. Das Prozedere wird bei einem Flug 30-mal wiederholt.
"Nach dem Einsteinschen Äquivalenzprinzip spielt es für physikalische Experimente keine Rolle, ob wir Schwerelosigkeit in einem Raumschiff weit draußen im Weltraum, in einer Umlaufbahn um die Erde oder in einer Flugzeugkabine erfahren, die sich im freien Fall zur Erde befindet beziehungsweise einer idealen Wurfparabel folgt", erklärt Bodem den Hintergrund der Versuchsbedingungen. Unter Schwerelosigkeit entstehen viele ungewöhnliche Effekte. So mischen sich beispielsweise Öl und Wasser zu einer stabilen Emulsion, während sich die Flüssigkeiten unter normalen Schwerkraftbedingungen wieder entmischen.
Bei den Mainzer Untersuchungen ging es darum, wie sich die Beinmuskulatur auf einem speziellen Trainingssystem in Schwerelosigkeit verhalten würde. Hüfte, Ober- und Unterschenkel der Probanden wurden dazu an acht ausgewählten Positionen mit jeweils zwei Elektroden beklebt, die ähnlich wie beim Elektrokardiogramm die Elektrizität ableiten, die bei einer Muskelkontraktion entsteht. "Muskeln zeigen bei Kraftentwicklung elektrische Aktivität. Wir können dies mit der Oberflächenelektromyographie (EMG) aufzeichnen und dann mit computerunterstützter Messdatenanalyse eine Muskelfunktionsdiagnostik durchführen", erläutert der Versuchsleiter. Die Testpersonen gehen - ausgestattet mit Elektroden, Verbindungskabeln und einer Signalverarbeitungsbox, die ihnen um den Hals hängt - in die Maschine und legen sich dort in eine Röhre, die fast bis zur Brust reicht. Diese LBNPD (lower body negative pressure device) genannte Vorrichtung dient dazu, "für die Körperflüssigkeiten in der Schwerelosigkeit einen der Schwere ähnlichen Effekt zu simulieren", so Bodem. Sie wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt für den zukünftigen Einsatz in Raumstationen konzipiert. Zum Kreislauftraining werden Hüftregion und Beine in der Röhre einem genau dosierten Unterdruck ausgesetzt, wodurch mehr Blut in den unteren Körperbereich fließt. Zum gleichzeitigen Muskeltraining wurde ein Fahrradergometer in diese Röhre eingebaut. Die erstmalige Erprobung dieses kombinierten Trainingssystems für Astronauten in Schwerelosigkeit konnte beginnen.
"Es war schon eine umwerfende Erfahrung", beschreibt Dr. Matthias Lochmann von der Klinik für Nuklearmedizin der Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz sein erstes Erlebnis mit dem Parabelflug. Der Medizinphysiker und Sportwissenschaftler hat sich als Versuchsperson und EMG-Systemoperator mit auf den Flug und in die Röhre begeben - nicht ohne Vorkehrungen gegen "motion sickness" getroffen zu haben. "Durch die Beschleunigung und die Steilflüge senden Augen und Gleichgewichtsorgane Informationen an das Gehirn, die inhaltlich nicht zusammenpassen", erklärt Lochmann. Gegen die Reisekrankheit gibt es Medikamente und den Tipp, den Blick möglichst auf einen selbst definierten Horizont oder ein entferntes Ziel zu richten. Falls dennoch andere schwere Störungen wie Herz-Kreislauf-Probleme bei den Versuchspersonen aufgetreten wären, hätte das Experiment sofort unterbrochen werden müssen.
Beim fünften Parabelflug der DLR war das glücklicherweise nicht nötig. Auch die Untersuchungen der Mainzer Forscher funktionierten reibungslos. "Wir konnten zeigen, dass unsere Methode sehr gut geeignet ist, um Effekte der Schwerelosigkeit auf die Wirkungsweise der Muskulatur in der vorgegebenen Trainingssituation nachzuweisen." Auch der Befund zum vorderen Schienbeinmuskel deckt sich mit dem subjektiven Empfinden der Versuchspersonen. "Ich hatte das Gefühl, dass ich das Pedal nach Beginn der Flugparabel beim Treten unwillkürlich verstärkt zurückziehen würde", erklärt er in Übereinstimmung mit anderen Probanden. Die EMG-Testdaten dieses Muskels zeigen in Schwerelosigkeit zunächst einen normalen Zyklusbeginn und plötzlich eine sehr starke Aktivierung. Die Aktivität der Wadenmuskulatur nimmt dagegen ab. "Wir werden sehr wahrscheinlich auch bei anderen Muskeln deutliche Effekte feststellen, jedoch nicht ganz so gravierend wie beim vorderen Schienbeinmuskel und seinem Gegenspieler", erwartet Bodem. Die Auswertung der insgesamt rund 500 Muskeldatensätze erfolgt in den kommenden Monaten.