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RaumfahrtphysiologieGraz in Space / September 2008

H. Hinghofer-Szalkay

IAP-Institut Graz

Aspekte der Raumfahrt-Physiologie

Physiologie (Optimale Funktionen / Gesundheit / Wohlbefinden)

Hierarchieebenen (Molekül .. Zelle .. Mensch .. Biosphäre)

Interdisziplinarität (Kommunikation / Begriffsbestimmung)

Overview-Effekt (Erkennen übergreifender Zusammenhänge)

© Helmut Hinghofer-Szalkay 2008© Helmut Hinghofer-Szalkay 2008

DauerBisherige

Raumflüge vs. Marsmission


Spezifische Probleme1. Effekte von Beschleunigung2. Psychophysiologische Effekte3. Sinnessysteme4. Kreislauf5. Muskel und Knochen6. Immunsystem7. Hirnfunktionen / Orientierung8. Strahlenbiologie / Dosimetrie9. Luft, Nahrung, Wasser, Verdauung10. Lebenserhaltungssysteme


1: Beschleunigung1: Beschleunigung und Körperachsen+Gz: eyeballs down -Gz: eyeballs up+Gx: eyeballs in -Gx: eyeballs out+Gy: eyeballs left -Gy: eyeballs right


Beschleunigungstoleranz (x-Achse)

Effekt Gx

Sehvermögen und Bewußtsein erhalten Bis 17

Toleranzgrenze 28-30

Gewebeschäden möglich >30

+Gx: 'Eyeballs-in' >>> 'White-out'

-Gx: 'Eyeballs-out' >>>'Red-out'

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John Paul Stapp(1910-1999)

• 'Human deceleration project‘ (Muroc Army Air Field, jetzt Edwards Air Force Base, Kalifornien)

• Ab 1947: Raketenschlitten-Versuche (610 m) - zuerst +Gx, ab 1949 -Gx

• 10. Dezember 1954: In 5 Sekunden von 0 auf 1011 km/h

• -Gx - Abbremsung in 1,4 Sekunden• 45 -Gx• Reversible Augenblutung

Beschleunigungstoleranz (z-Achse)

Effekt +Gz

Schwerelosigkeit 0

Hände schwer, Gehen schwierig 2

Gehen unmöglich, Kriechen schwierig; Sehvermögen eingeschränkt

3

Kriechen fast unmöglich; 'Blackout' beginnt 4

Hand und Kopf können mit Mühe bewegt werden; Bewußtsein wird eingetrübt

5

+Gz: 'Eyeballs down'


Gehirn, Herz und Beschleunigung


2: Psychophysiologische Effekte2: Psychophysiologische Effekte

• StressGefühl existenzieller Gefährdung ErwartungsdruckMonotonieDepression / Panikattacken

• Schlaf (Licht, Lärm, Tagesrhythmen, privacy,..)• Personal space (Gemini 1.3 m3/p, ISS ≈200 m3/p)• Mixed gender missions / Sexualität• Kulturelle Unterschiede• Interaktion mit Crewmitgliedern - Kompatibilität, leadership, group fusion vs. fission


FRONTALHIRNHöchste Instanz, "Chef" der PersönlichkeitReguliert Planung, Einschätzung der Situation,

Urteilskraft, Entscheidungen>>durch Stress gehemmt<<

Chronischer Stress kann zu impulsivem Verhalten, Depression, Ängstlichkeit, Schlafmangel, Drogenmißbrauch führen

SUBKORTIKALThalamus, Hippokampus,

Hypothalamus, Hirnstamm

Mobilisiert für "Kampf-situation" (Bewegungs-, Transport-, metabolische und Hormonsysteme)


3: S3: Sinnessystemeinnessysteme

Vestibuläres System:Massive Veränderungvielleicht synaptischeAdaptation

Propriozeption: Wahrscheinlich rekalibriert('aufrechte' Körperhaltung mit verbundenen Augen)

Geschmack & Geruch: Durch Kongestion beeinträchtigt -- Schweiß, Nahrungsmittel, organische Abfälle



Variierender Gravitations-

vektor


Visuelles System


Optische Täuschungen / Oben-unten-Referenzherabgesetzte Kontrastsensitivität

evt. Hyperopie

Auditives System

TTS im Raumschiff. Beeinträchtigung der Kommunikation!Lärmbelastung durch Raketenmotoren, Hydraulik, Klimaanlage, Druckregulationssystem, Informations- und Warnsysteme (Cockpit!), Intercom, Motoren, Ventilatoren, Pumpen, Transformatoren, Oszillatoren (Vibration!) etc.

Auswirkungen: Ermüdung, Reizbarkeit, verringerte Schlafqualität, Appetitverlust, Kopfschmerzen, Übelkeit, reduziertes Konzentrations- und Erinnerungsvermögen ... Fehlergefahr!


Multimodale neuronale Integration



Posturographie


4: Schwerkraft und Kreislauf4: Schwerkraft und Kreislauf


Orthostase und Blutdruck



Das 'hydrostatische Indifferenz'-Konzept


Astronauten-Kreislauftraining

LBNP (lower bodynegative pressure): Unterdruck an den

Beinen führt zu 'orthostatischer'

Belastung© Helmut Hinghofer-Szalkay 2008

© Helmut Hinghofer-Szalkay 2008

Zentrifugensysteme: NASA-ARC

∆ 20G-human rated

>> human powered centrifugeAmes Research Center

Moffett Field, California© Helmut Hinghofer-Szalkay 2008


ZENTRALEMechanismen

Baroreflex

LOKALEMechanismenHenriksen-Reflex

Gravitation (+Gz)

SystemischeRegulation Periphere

RegulationGefäßtonus

Blutdruck Perfusion

Herz-ZV

kardio-vagal sympathisch


Versuchsanlage im IAP


Orthostatischer Stress bis zur Präsynkope

Automatische Entfernung der

Störgröße durch Kollaps?


5: Bewegungssystem5: Bewegungssystem


Spitzenkräfte Knochenverlust in µG

Osteoporose-Entwicklung an gewichtstragenden Knochen 10-mal rascher als in Postmenopause


Countermeasures: Knochen

Muskelbelastung (Treadmill,...)

Vibration plate (z.B. 20 min/d 0,3 G bei 30 Hz)

Ernährungsfaktoren(Kalzium, Phosphat ?? Magnesium?)

Medikamente(Biphosphonate: Etidronat, Alendronat..)

Artificial gravity© Helmut Hinghofer-Szalkay 2006


Muskeln / Schwerkraft / Schwerelosigkeit


Muskelfaser-Typen: Anpassung an Schwerelosigkeit

• Typ I (‚slow-twitch‘ - benannt nach Typ I-MHC - myosin heavy chains): Kraftentwicklung langsam, geringe Ermüdbarkeit; hohe aerobe Kapazität, viele Mitochondrien, reichlich Myoglobin. Z.B. 35% in m. triceps, 90% in m. soleus

• Typ II (‚fast-twitch‘): Rasche Kraftentwicklung, hohe Ermüdbarkeit.

--‚fast, fatigue-resistant‘--‚fast-fatigable‘ (extrem

glykolyseabhängig)

Bei Immobilisation / Inaktivität:Typ I am stärksten betroffen; >> Typ II

Raumfahrt:Muskelverlust stärker als aufgrund von bed rest-Studienzu erwarten (Diät? Hormone? Oxidativer Stress? Psychischer Stress?).Muskeln schwächer, aber raschere Kontraktionen


Countermeasures: Muskel

1. Muskelbelastung ('Workout')Aerobe Aktivierung (Fahrradergometer) ungenügend;

submaximales 'resistance exercise' wirkungsvoller

2) Penguin suit3) Medikamentez.B. Testosteron, IGF..

4) LBNP5) TENS6) Artificial gravityHPCLarge structures



Artificial gravity


6: Immunsystem, Mikrobiologie6: Immunsystem, Mikrobiologie

Bakterien, Pilze, ParasitenHaut: ca. 2 m2

Schleimhäute: 400 m2

Raumfahrt: Mikrobielle Dynamikin geschlossenem System


Problem Hygiene

Bordtoilette

Raumanzug


'Weltraumessen'

'Weltraumsport'


7: Hirnfunktion und 7: Hirnfunktion und OrientierungOrientierung


Space sickness

Bewegungs- und BlickkontrolleAufmerksamkeit, Problemlösungskapazität,

logisches DenkvermögenMuskelschwäche / ErmüdbarkeitTiefensensibilität kann Meldungen aus

Innenohr nicht kompensierenStellenwert des Gesehenen steigtGezielte Willkürbewegungen verlangsamt

(veränderte Bewegungsplanung?)

Konzentrationsvermögen reduziert inflight (Wochen) und postflight

Leistungseinbußen hoher und höchster Hirnleistungen möglich (z.B. bei Mars-Missionen!)

Primäre Umorientierungunter Unterdrückung von Information aus gravitationsbestimmten clues - Rekalibrierung

NeuberechnungsensorimotorischerMuster

Uminterpretationpropriozeptiver Reize

Stärkere Betonungvisueller Informationen

Erlernen modifizierter motorischer Strategien


Rückanpassung an 1G nach 0G

Probleme beim Gehen auf gerader Linie

Probleme beim Gehen um eine KurveSinnestäuschungen

(Selbstbewegung / Bewegung der Umgebung)

Nystagmus

Übelkeit, Erbrechen


8: Strahlenbiologie und 8: Strahlenbiologie und DosimetrieDosimetrie

EnergiedosisEnergie, die von 1kg der bestrahlten Materie aufgenommen wird1 Gy = 1 J / kg (verursacht ≈5.103 DNA-Schäden pro Zelle)

ÄquivalentdosisMultiplikation der Energiedosis (Gray) mit biologischem Qualitätsfaktor

Für β- und γ-Strahlung ist der Qualitätsfaktor 1 (1 Gy = 1 Sv)für Protonen 5, für schnelle Neutronen 10für α-Strahlung 20 (1 Gy = 20 Sv)

Meereshöhe: ≈0,3 mS / a

Rolf Sievert, Stockholm1896-1966


Louis Harold Gray, London1905-1965

Typische Dosisbelastungen

Tätigkeit / Aufenthalt Strahlenart

gemischt

gemischt

85% Protonen12% He-Kerne

2% schwere Kerne1% Elektronen

Thorax-Röntgen Photonen 0,1 mSv

PhotonenStrahlentherapie(Co)

bis 80.000 mSv

Dosis

1 a Meereshöhe <1 mSv1 Jahr 1600 m 2 mSvShuttle-Flug 8 d 5,3 mSv5 Monate ISS 160 mSvFlug zum Mond 11 mSvFlug zum Mars ≈ 500 mSv / aMarsoberfläche ≈ 120 mSv / a


Aktivierung / Stimulierung von Schutz- und

Reparaturmechanismen?

• OxidationsschädenSchutz / Behebung durch

• Antioxidantien... Substrate, Vitamine, Enzyme(ß-Carotin, Vit. C, Vit. E, Folsäure;Selen, Zink, Mangan, Kupfer; Harnstoff;Superoxid-Dismutase, Katalase, ..)

• Genetische SchädenBehebung durch Repair-Mechanismen

• Hormese?


9: Luft, 9: Luft, Nahrung, Nahrung, WasserWasser

Umsatz: • Trinkwasser: 17 x KG / a• Sauerstoff: 4 x KG / a• Nahrung: 3 x KG / a• Energie: 3-4 GJ / a


• Sauerstoff: • Nahrung (Feststoffe): • Trinkwasser:• Wasser f. persönl. Hygiene:• CO2-Abgabe:• Ausscheidung von Feststoffen:

≈ 0,9 kg/d≈ 0,6 kg/d≥ 1,8 kg/d≈ 2,3 kg/d≈ 1,1 kg/d≈ 0,2 kg/d

Problemhierarchien:• Raumanzug• Raumschiff• extraterrestrische Basis

O2-Partialdruck



Vitaminreserven des menschlichen Körpers

Vit. A .. .. 1 Jahr

Vit. K .. .. 2-6 Wochen

Vit. B1 .. .. 1-2 Wochen

Vit. B2, 3, 6 2-6 Wochen

Vit. B12 .. 3-5 Jahre

Folsäure .. 3-4 Monate

Vit. C.. .. 2-6 Wochen


Raumanzug / Rettungsfähre

AUFGABEN:• Druckkonstanz• Bereitstellung von O2• Filterung von CO2• Klimatisierung• Aufnahme von Harn• Beleuchtung• Telekommunikation• Geringe Mengen von Flüssigkeit und Nahrung


10: Lebenserhaltungssysteme10: Lebenserhaltungssysteme

Raumanzug: Autonomie auf

kleinstem Raum(bis zu ≈7 Stunden)



LSS: transfer vehicle

Recycling-System auf ISS


• Technisch (physikalisch-chemisch)• Bioregenerativ

(CELSS = Controlled Ecological Life Support System)

AUFGABEN:• Austausch von O2 / CO2 („Revitalisierung“)• Abfallentsorgung (Wasser / Kompost)• Reinigung von Wasser• Säuberung der Atemluft• Produktion von Nahrungsmitteln• Lebenswerte Umwelt


Regenerative Lebenserhaltungssysteme

Bioregenerative Lebenserhaltungssysteme

"Größenklasse Kühlschrank"

"Größenklasse Gemüsegarten"

"Größenklasse Glashaus"


Materiell geschlossen(energetisch

offen)

Bios-3: Krasnojarsk, Sibirien

• Seit 1972 - unterirdischer Komplex• Bis 80% der Nahrung für 2-3 Personen (von 63m2) b/r• 4 Kompartimente à 7.0 x 4.5 x 2.5 m / Gesamtvolumen ≈335 m3

• Licht wie Sonnenschein > Temperatur bis 30°• Kartoffeln, Tomaten ... benötigen Dunkelperioden• Phytotron produzierte bis zu 2000 l O2 pro Tag


Biosphere 2 Test Module

1985-1993

≈6,1x 6,1 m, 360-480 m3

Luft: SBR = soil bed reactorWasser: waste processing ≤60 l/d

One-personclosures bis zu

3 Wochen Dauer

Leak rate ≈2% / Monat

24-Stunden-CO2-

Schwankungen bis ≈1000 ppm

Sept. 1988


• 7.5 x 3.5 m

• 64 trays (Einsätze) -insgesamt 16-20 m2

• 16 l/min Wasser / Nährlösung pro tray

• 96 Natriumlampen à 400 W

BPC: BiomassProductionChamber

Kennedy SpaceCenter, Florida


MELiSSA(Micro-Ecological Life Support System Alternative)

CREW

COMPARTMENT 3Nitrifizierende Bakterien

COMPARTMENT 1*LIQUIFIZIERUNG

Anaerobe thermophile Bakterien

COMPARTMENT 4Höhere Pflanzen (4a)Cyanobakterien (4b)

COMPARTMENT 2Anaerobe

photosynthetische Bakterien


CO2

O2

NH4

NO3Mineralien

EssbarePflanzen

EssbareBiomasse

FettsäurenMineralien

Organischer Abfall (Fäces,Toilettpapier, Pflanzenreste)

* 1: Hydrolyse, Verflüssigung2: Weitere Fermentierung: H2, Azetat, Formiat(3: Methanogenese: verhindert durch pH≤6,5)

Der Traum von einer intakten Welt


Oracle, Arizona: „The Human Experiment“• Geschlossener ökologischer Kreislauf• 12.000 m2 Grundfläche • 190.000 m3 Rauminhalt • Völlige stoffliche Isolation von der Umwelt • 3000 Pflanzenarten, 600 Tierarten• 6600 Fenster, 40 km Stahlrahmen

1. Mission 1991-1993 (24 Monate)

Tabor McCallumSally SilverstoneMark Van ThilloMark Nelson

Jane PoynterLinda LeighAbigail AllingRoy Walford

Foto 1 vor der Mission


Foto 2:

Nach einem Jahr in der Biosphäre

KG -14(f)/-21%(m)

BMI 23>19 kg/m2

DBP 77>58 mm Hg

Gluc. 92>68 mg/dl

Cholesterin 190>130 mg/dl


CRL = caloric restriction forlongevity

Ratten mit kalorienreduzierter / hochwertiger Kost leben länger als ad-libitum-gefütterte Kontrollen (McCay, Crowell, Maynard. J Nutr 1935; 10: 63-79)

Umstellung von reproduktiver auf lebenserhaltende Stoffwechselstrategie?

Kalorienzufuhr 75, 45, 35% ad libitum >> Lebensspanne verlängert um 19, 47, 54% (Weindruch et al. 1986)

Je früher / länger, desto stärker Effekt

Nähe zu anorexia nervosa ... Hochwertige und regelmäßige Ernährung essentiell für CRL-Effekt


Biosphere 2: Kalorienzufuhr nach Quartalen


Ernährungsmuster: Kohlenhydrate, Eiweiß, Fette

Astronauten: Kohlenhydratanteil +5% der

aufgenommenen Energie>> Insulinspiegel +>> Kompetition um Aufnahme

von Aminosäuren>> freies Tryptophan +

>> mögliche Auswirkung auf Serotoninspiegel(Hypothalamus) >>

• Raumfahrt-Anorexie?• Verminderte Stress-

Symptomatik?



AusblickTerraforming: Schaffung

erdähnlicher lebenskompatiblerUmgebungsbedingungen

auf außerirdischen Himmelskörpern


Grenzen der BewohnbarkeitParameter Grenzen Bemerkungen

PflanzenGesamtdruck > 10 mbar H2O+O2+N2+CO2

Kohlendioxid > 0,15 mbarUntergrenze der Photosynthese; keine klare Obergrenze

Stickstoff > 1 - 10 mbar Stickstoffixierung

Sauerstoff > 1 mbar Pflanzliche Atmung

MenschenNormales Luftgemisch > 500 mbar

< 5.000 mbarObergrenze in GebirgenStickstoffnarkose

Kohlendioxid < 10 mbar Grenze: CO2-Vergiftung

Stickstoff > 300 mbar Pufferwirkung

Sauerstoff > 130 mbar< 300 mbar

Untergrenze durch AtemnotObergrenze durch Brandgefahr


Venus• 81,5 % der Masse der Erde• 0,90 G• 92 Bar Oberflächendruck• ≈450°C Oberflächentemperatur• CO2 96,5% - N2 3,5%• MEvS: 108 Mio km• Sonneneinstrahlung 137% des irdischen

Wertes• Umdrehungszeit um Achse 243 irdische

Tage (retrograd)• Venustag: ca. 117 irdische Tage• Venusjahr: ca. 225 irdische Tage


Was könnte auf der Venus verändert werden?

Problem: Temperatur, Druck, CO2, Blitzentladungen, extrem langer Marstag

Wolkenschichte (50-70 km Höhe): 75% H2SO4

(Futuristische) Lösungsvorschläge:• Einbringen von Grünalgen in die CO2-reiche Atmosphäre • In höheren Atmosphärenschichten: schwebende Pflanzen

("Luftplankton"), aber: Schwefelsäure• Bau luftschiffähnlicher, schwebender Stationen in der

Hochatmosphäre • Zucht schwebender, ballonähnlicher Pflanzen als

Nahrungsmittel


Mars

• 10% der Masse der Erde• 0,38 G• 0,0064 Bar Oberflächendruck• -85 bis +20°C Oberflächentemperatur• CO2 95,3 % - N2 2,7% - Ar 1,6%• MEvS: 228 Mio km• Sonneneinstrahlung 37-52% des irdischen

Wertes• Umdrehungszeit um Achse 24 h 37 min• Marstag: 24 h 39,5 min• Marsjahr: 687 (irdische) Tage


0,007 barDurchschnittstemperatur ≈-50°C0,38 GMagnetfeld minimal


CELSS ???

MedizinischeVersorgung?

Sabatier- / Bosch-Verfahren

Paul Sabatier, 1854-1941Nobelpreis Chemie 1912

SABATIER

4 H2 + CO2 --> 2 H2O + CH4 + Wärme, an Ni- oder Co-Katalysator, 300-400°C

BOSCH

CO2 + 2 H2 --> C + H2O + Wärme, an Fe-Katalysator, 530-730°C

Carl Bosch, 1874-1940Nobelpreis Chemie 1931


Was könnte am Mars verändert werden?

• Verteilung der gasförmigen Stoffe• Oberflächentemperatur und -druck• Zusammensetzung und Lichtdurchlässigkeit der Atmosphäre• Albedo• Niederschlag und Bodenfeuchtigkeit• Ziel: Erhöhung der Temperatur um ≈ 60°C

Für 1 bar wären 4*1015 Tonnen Gas notwendig

• Marsboden stark oxidiert• Bei 2 bar ... pO2 2,5 mbar (für Pflanzen ausreichend)• Stickstoff?? (einige mbar nötig)• Bei 3 bar pCO2 wären +8°C erreichbar (Südpol? Regolith?)• FCKW: CF3Br, C2F6, CF3Cl, CF2Cl2 .. Elemente am Mars

vorhanden© Helmut Hinghofer-Szalkay 2008


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