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Foto: ESA
Die sechs Mannschaftsmitglieder des Experiments „Mars 500“.
Foto: ESA

Teilnehmer Yue Wang rasiert sein Bein, damit die Elektroden besser haften.

Beispiele für mögliche Trainingsübungen. Tatsächlich sind derzeit 18 unterschiedliche Trainingsübungen realisiert.

 
Sportmedizin 12. Oktober 2010

Fitness im Weltraum

MARS 500: Einsatz eines multifunktionellen Trainings- und Diagnosegerätes für Langzeitmissionen (MDS) im Weltraum.

Der Mond wurde vom Menschen bereits besucht und beforscht, die bemannte Raumstation ISS wurde zum multinationalen Treffpunkt im All. Nun gilt das Interesse verstärkt dem „roten Planeten“. Die große Entfernung von der Erde wirft für die bemannte Raumfahrt allerdings Probleme auf.

 

Der eineinhalb bis zwei Jahre dauernde Flug zum Mars ist die nächste große Herausforderung der bemannten Raumfahrt. Um Menschen gesund und leistungsfähig zum Mars und zurück zu bringen, sind mehrere Probleme zu lösen: die Konstruktion eines Raumschiffs der entsprechenden Größe mit Mars-Landeeinrichtungen, die Versorgung der Astronauten/Kosmonauten mit Sauerstoff, Lebensmitteln und Flüssigkeit in einem „selbstversorgenden Habitat“ und die Erhaltung der psychophysischen Gesundheit (Gesundheits-, Leistungsfähigkeit, medizinische Versorgung in Notfällen).

In der Schwerelosigkeit sind alle Organe und Organsysteme des Menschen durch den Wegfall des Schwerkraftvektors betroffen, bei kurzfristiger Schwerelosigkeit hauptsächlich das Herz-Kreislaufsystem, der Flüssigkeitshaushalt und das Innenohr mit dem Gleichgewichtssystem. Bei längeren Raumflügen stellen Strahlenbelastung und vor allem die Veränderungen der Muskulatur und Knochen ein Gesundheits- und Sicherheitsrisiko dar. Verminderte Leistungsfähigkeit erhöht das Risiko, Aufgaben einer Weltraummission nicht zu bewältigen, und sie kann das Leben von anderen Mannschaftsmitgliedern gefährden. Daher wurden seit Beginn der bemannten Raumfahrt Experimente in und nach Schwerelosigkeit durchgeführt.

1991 bis 1995 konnte die österreichische Forschergruppe (N. Bachl, H. Tschan, R. Baron) im Rahmen des Austromir-Projektes ein translatorisches Dynamo-Ergometer für die Raumstation MIR entwickeln (MOTOMIR). Dieses Gerät wurde während des Austromir-Fluges und die folgenden vier Jahre eingesetzt, um erstmals in der Weltraumfahrt valide und reproduzierbar die Veränderungen der Muskulatur der Extremitäten in isometrischer, konzentrischer und exzentrischer Arbeitsweise messen zu können. Insgesamt konnten neun Kosmonauten während ihres rund fünf Monate dauernden Aufenthalts in Schwerelosigkeit und ein Kosmonaut im Rahmen des Weltrekordflugs von 438 Tagen untersucht werden. Die Ergebnisse zeigten, dass es nach wenigen Tagen im All zu einer drastischen Kraftabnahme der Extensoren in den unteren Extremitäten kommt (-35 bis -50 % entspricht einer Kraftabnahme zwischen dem 30. und dem 70. Lebensjahr), gefolgt von den Flexoren (etwa -30 %).

Bei den oberen Extremitäten erfolgt die Reduzierung etwas verzögert und ist weniger ausgeprägt; nach vier Wochen bildet sich bei den unteren Extremitäten ein Kraftniveau, das im Verlauf des Raumflugs vom Ausmaß der Trainingsreize abhängt, meist aber deutlich unterhalb des terrestrischen Ausgangsniveaus bleibt. Bei den unteren Extremitäten ist die Kraftabnahme bei der Streckerkette signifikant stärker ausgeprägt als bei der Beugerkette. Die Kraftverminderung erfolgt bei allen Aktionsformen (isometrisch, konzentrisch, exzentrisch) etwa gleich stark. Bei langsamen Bewegungen nimmt die Kraft stärker ab als bei schnelleren Bewegungen. Die Ursachen für die Abnahme liegen in erster Linie in einer reduzierten Protein-Synthese mit besonderem Verlust der kontraktilen Proteine, wobei Myosin stärker als Aktin betroffen zu sein scheint. Weiters spielen neurophysiologische und koordinative Veränderungen eine wesentliche Rolle. Werden zusätzlich zum normalen Training der Kosmonauten (Laufbandergometer, Fahrradergometer, Gummizüge, Penguin Suit) hochintensive Belastungen, wie sie am Dynamoergometer MOTOMIR möglich sind, in konzentrischer, exzentrischer und isometrischer Arbeitsweise etwa einmal in 13 Tagen hinzugefügt, lässt sich das ursprüngliche Kraftniveau erhalten. So zeigte sich am Beispiel eines Kosmonauten, dass durch dieses Komplextraining die Kraftabnahme nach Beginn der Weltraum-Mission innerhalb von drei Monaten so kompensiert werden kann, dass noch an Bord der Raumstation wieder Preflight-Werte erreicht wurden. Dies ist für die Arbeitsfähigkeit auf der Raumstation wichtig, aber auch als Ausgangsbasis zur Rückkehr zur Erde und für eine schnellere Rehabilitation.

Diagnose und Training in einem

Weltweit versuchen Arbeitsgruppen, für Marsflüge Geräte zu bauen, welche sowohl zur Diagnostik wie zum Training eingesetzt werden können. Aufgrund der Erfahrungen der ersten Experiment-Serie mit MOTOMIR entwickelte die Projektgruppe (N. Bachl, H. Tschan, R. Baron) zusammen mit dem Institut für Konstruktionswissenschaften und Technische Logistik der TU Wien unter Leitung von Prof. Dr. Thomas Angeli und Mitarbeitern ein multifunktionelles Trainings- und Diagnosegerät für Langzeitmissionen im Weltraum (MDS). In enger Kooperation mit dem IBMP-Institut (Institut für biomedizinische Probleme, russische Akademie der Wissenschaften) für den Einsatz bei Mars-Missionen wurde dieses weiterentwickelt. Dieses „Fitness-Center für den Weltraum“ sollte ein abwechslungsreiches Training aller Muskelgruppen in überwindender, nachgebender und isometrischer Arbeitsweise ermöglichen und sowohl in Schwerelosigkeit als auch unter terrestrischen Bedingungen für Grundlagen- und angewandte Forschung sowie für die Rehabilitation einsetzbar sein. Der Einsatz im Weltraum bedarf einer kompakten, leichten Bauweise mit Aufzeichnung aller Trainingsdaten mit USB-Technologie sowie wählbaren Belastungskennziffern (Intensität, Dauer, Geschwindigkeit, Belastung/Pausen-Verhältnis, inklusive Feedback während des Trainings).

Das MDS ist vor allem für ein Krafttraining von langen Muskelschlingen und großen Muskelgruppen konzipiert. Als Ruderergometer ermöglicht es auch Ausdauertraining. Das MDS ist mit einem Linear- und einem Rotationsführungssystem ausgestattet, welches reproduzierbare Bedingungen für die Leistungsdiagnose ermöglicht. Es können verschiedene Trainingsmodi absolviert werden. Im Modus „simuliertes Krafttraining“ bleibt das Gewicht während der Bewegung konstant. Mit „exzentrischer Überlast“ lässt sich rein exzentrisch trainieren. Im Modus „isokinetische Bewegung“ bleibt die Geschwindigkeit, während bei der „wegabhängigen Kraftregelung“ mit übungsspezifischen Kraftverläufen trainiert werden kann.

Folgende Übungen sind am MDS möglich: Kniebeugen, Bankdrücken, Kreuzheben, Lat-Ziehen, Training der Wadenmuskulatur, Bizeps-Curl, Beinpresse, Training der Bauch- und Rückenmuskulatur. In einer Pilotstudie wurden die Effekte des Trainings mit dem MDS mit einem traditionellen Training mit freien Gewichten und an Geräten verglichen. Das Training mit freien Gewichten ist im Hinblick auf die Kraftzunahme zwar „Goldstandard“, ist in Schwerelosigkeit aber nicht möglich. Die Ergebnisse dieser Studie, die an Sportstudenten durchgeführt wurde, zeigen, dass das Training mit MDS rasch zu einer deutlichen Verbesserung der Kraftfähigkeit der Extremitäten führte, welche mit einem Krafttraining mit freien Gewichten vergleichbar sind. Im „MARS-105-Experiment“, einer 105 Tage dauernden Isolationsstudie russischer Weltraummediziner, wurde das MDS eingesetzt. Die Ergebnisse erbrachten ähnliche Daten wie die Pilotstudie.

Derzeit befindet sich das MDS wieder im Institut für Biomedizinische Probleme in Moskau, wo die russische Weltraumbehörde zusammen mit der ESA und der DLR das Experiment „MARS 500“ durchführt, in dem ein Mars-Flug in Form einer Isolationsstudie simuliert wird. Sechs Mannschaftsmitglieder nehmen teil. Dabei werden zwei Phasen unterschieden: Die erste simuliert den Flug zum Mars in etwa 250 Tagen (drei Mitglieder absolvieren ein 30-tägiges Bedrest-Experiment), die zweite den Rückflug zur Erde.

Einsatz auch terrestrisch

Sollte das Experiment weiter finanziert werden, hat das MDS gute Chancen, im russischen Modul auf der Weltraumstation ISS zum Einsatz zu kommen. Unter terrestrischen Bedingungen ist der Einsatz für Rehabilitation und Prävention vorstellbar, insbesondere dort, wo Menschen über längere Zeit auf engem Raum leben (Ölplattformen, Militärbasen, entlegene Forschungsstationen).

Das MDS kann im terrestrischen Einsatz an der Abteilung Leistungsphysiologie des Instituts für Sportwissenschaft im Rahmen molekularbiologisch-leistungsphysiologischer Fragestellungen zur „Trainingswirkung auf die Muskulatur“ eingesetzt werden.

Die Bedeutung dieses weltraummedizinischen Experiments liegt nicht nur im Erkenntnisgewinn für Weltraum-Missionen, sondern für die terrestrische Medizin. „Schwerelosigkeit“ ist ein ideales Provokationsmodell, um den Einfluss körperlicher Inaktivität auf die Muskelatrophie zu erforschen. Die Ergebnisse der im Weltraum gewonnenen Gegenmaßnahmen können bei klinischen Fragestellungen angewendet werden, um die Wirkungen verschiedener Trainingsformen zu verbessern.

 

Prof. Dr. Bachl ist Leiter des Zentrums für Sportwissenschaft und Universitätssport der Universität Wien und auch Herausgeber der Zeitschrift „Sport- und Präventivmedizin“ im Springer-Verlag WienNewYork.

Buchtipp

menschmorgen

Der Mensch von morgen
Was die Wissenschaft mit uns vorhat

Bachl, Norbert; Vogl, Erich
192 Seiten, € 19,95
Ueberreuter, 2010
ISBN 9783800074563


Gesund über 100 Jahre alt werden, den Kampf gegen Krebs gewinnen, genetische Manipulation für den Spitzensport nutzen, die Regeneration nach Unfällen drastisch beschleunigen: Ist das möglich? Die Wissenschaft arbeitet daran und ist weiter, als wir glauben. Der Sportmediziner Norbert Bachl und der Journalist Erich Vogl berichten anhand fiktiver Fallgeschichten, welche Auswirkungen die medizinische Forschung in naher Zukunft auf den Alltag haben wird. 

Von Prof. Dr. Norbert Bachl, Prof. Dr. Harald Tschan und Prof. Dr. Ramon Baron, Ärzte Woche 41 /2010

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