Seit Astronauten längere Zeit in den Weltraum fliegen, ist bekannt, dass eine langfristige Exposition gegenüber Schwerelosigkeit oder Mikrogravitation mit einem Teil der gesundheitlichen Auswirkungen verbunden ist. Dazu gehören Muskelatrophie und Verlust der Knochendichte, aber auch andere Bereiche des Körpers, die zu einer verminderten Organfunktion, Durchblutung und sogar genetischen Veränderungen führen.
Aus diesem Grund wurden an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) zahlreiche Studien durchgeführt, um das Ausmaß dieser Auswirkungen zu bestimmen und festzustellen, mit welchen Strategien sie gemindert werden können. Laut einer neuen Studie, die kürzlich in der Internationale Zeitschrift für Molekulare Wissenschaften, Ein Team von NASA- und JAXA-finanzierten Forschern zeigte, wie künstliche Schwerkraft eine Schlüsselkomponente für zukünftige langfristige Pläne im Weltraum sein sollte.
Wie bereits erwähnt, wurden umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, um die Auswirkungen der Mikrogravitation auf den menschlichen Körper zu identifizieren und zu quantifizieren. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Zwillingsstudie des Human Research Program (HRP) der NASA, in der die Auswirkungen auf den Körper des Astronauten Scott Kelly untersucht wurden, nachdem er ein Jahr an Bord der Internationalen Raumstation verbracht hatte - unter Verwendung seines Zwillingsbruders Mark Kelly als Kontrolle .
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 das Sehvermögen auch durch die im Raum verbrachte Zeit beeinflusst werden, was auf eine geringere Durchblutung und Sauerstoffzufuhr zum Augengewebe zurückzuführen ist.
Tatsächlich haben etwa 30% der Astronauten auf kurzfristigen Space-Shuttle-Flügen (ungefähr zwei Wochen) und 60% auf Langzeitmissionen zur ISS eine gewisse Beeinträchtigung ihrer Sehkraft gemeldet. Als Reaktion darauf empfehlen Professor Michael Delp - Dekan des College of Human Sciences der Florida State University (FSU) und Mitautor des Papiers - und seine Kollegen, die künstliche Schwerkraft in zukünftige Missionen einzubeziehen.
Mit Unterstützung der NASA untersucht Delps seit Jahren die Auswirkungen der Mikrogravitation auf das Sehvermögen von Astronauten. Wie er kürzlich in einer Pressemitteilung der FSU sagte:
„Das Problem ist, je länger sich die Astronauten im Weltraum befinden, desto wahrscheinlicher ist eine Sehbehinderung. Einige Astronauten erholen sich von Sehstörungen, andere nicht. Dies hat für die NASA und Weltraumagenturen weltweit eine hohe Priorität. Bei dieser Anwendung der künstlichen Schwerkraft haben wir festgestellt, dass Veränderungen am Auge nicht vollständig verhindert wurden, aber wir haben nicht die schlechtesten Ergebnisse gesehen. "
Um festzustellen, ob künstliche Schwerkraft diese Effekte verringern würde, hat sich Delp in einer ersten Zusammenarbeit mit Forschern der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) zusammengetan. Zu ihnen gesellten sich Professor Xiao Wen Mao (Hauptautor der Studie) von der Linda Loma University sowie Mitglieder der University of Arkansas für medizinische Wissenschaften, des Arkansas Children’s Research Institute und der University of Tsukuba.
Das Team untersuchte dann Veränderungen im Augengewebe von Mäusen, nachdem sie 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 Habitat Cage Unit (HCU) im JAXA „Kibo“ Laboratory auf der ISS untergebracht wurden. Während ihres Aufenthalts wurden die Mäuse in zwei Gruppen eingeteilt.
Während eine Gruppe unter Mikrogravitationsbedingungen lebte, lebte die andere in einer zentrifugalen Lebensraumeinheit, die 1 produzierte G der künstlichen Schwerkraft (das Äquivalent der Schwerkraft der Erde). Daraus ergab das Forscherteam, dass die erstere 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 Kopf. Diese Flüssigkeitsverschiebung wirkt sich auf das Gefäßsystem im gesamten Körper aus, und jetzt wissen wir, dass sie auch die Blutgefäße im Auge betrifft. “
Darüber hinaus stellte das Team fest, dass sich die Proteinexpressionsprofile in den Augen der Mäuse aufgrund der Mikrogravitation ebenfalls geändert hatten. Im Vergleich dazu hatten die Mäuse, die ihre Zeit in der Zentrifuge verbrachten, nicht annähernd so viele Schäden an ihrem Augengewebe. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die künstliche Schwerkraft, wahrscheinlich in Form von rotierenden Abschnitten oder Zentrifugen, eine notwendige Komponente für Langzeit-Weltraummissionen sein wird.
Nach den Konzepten ist die Verwendung der künstlichen Schwerkraft im Weltraum nichts Neues. Weltraumagenturen sind nicht nur ein gut erforschtes Konzept in der Science-Fiction, sondern haben es auch als eine Möglichkeit angesehen, eine dauerhafte menschliche Präsenz im Weltraum zu etablieren. Ein leuchtendes Beispiel dafür ist die Stanford Torus Space Settlement, ein Hauptentwurf, der in der NASA-Sommerstudie von 1975 berücksichtigt wurde.
In Zusammenarbeit 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 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 einer erdnormalen oder partiellen Schwerkraft zu erzeugen.
Darüber hinaus wurden rotierende Torus für Raumfahrzeuge in Betracht gezogen, um sicherzustellen, dass Astronauten auf Langzeitmissionen ihre Zeit in der Schwerelosigkeit begrenzen können. Ein gutes Beispiel hierfür ist der nicht-atmosphärische Universaltransport für langwierige Erkundungen in den USA (Nautilus-X), ein Raumfahrzeugkonzept mit mehreren Missionen, das 2011 von den Ingenieuren Mark Holderman und Edward Henderson vom NASA-Team für die Bewertung von Technologieanwendungen entwickelt wurde.
Wie bei früheren Untersuchungen zeigt diese Studie, wie wichtig es ist, die Gesundheit der Astronauten bei Langzeitmissionen im Weltraum sowie bei Langzeitreisen aufrechtzuerhalten. Diese Studie zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass sie die erste einer Reihe ist, die das Sehvermögen von Astronauten besser verstehen soll.
"Wir hoffen, dass eine weiterhin enge wissenschaftliche Zusammenarbeit uns dabei helfen wird, die experimentellen Ergebnisse zu sammeln, die zur Vorbereitung auf die zukünftige bemannte Erforschung des Weltraums erforderlich sind", sagte Dai Shiba, Senior Researcher bei JAXA und Co-Autor des Papiers. Mao, die Hauptautorin der Studie, gab auch an, dass sie zuversichtlich ist, dass diese Forschung über die Erforschung des Weltraums hinausgehen und hier auf der Erde Anwendung finden wird:
"Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse nicht nur die Auswirkungen der Raumfahrt auf die Augen charakterisieren, sondern auch zu neuen Heilmitteln oder Behandlungen für durch Raumfahrt verursachte Sehprobleme sowie zu mehr erdgebundenen Störungen wie altersbedingter 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 kombinieren können, sondern auch die Kosten für einzelne Starts senken und Wege finden, um die Gesundheitsrisiken von Langzeitmissionen zu mindern. Neben den Auswirkungen der Mikrogravitation gibt es auch das Problem einer 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. Daher wäre es nicht weit hergeholt, sich vorzustellen, dass Tori und Zentrifugen in naher Zukunft ein fester Bestandteil der Weltraumforschung werden könnten!
