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Der Weltraum ist eine für Menschen unnatürliche Umgebung.

Raumfahrt

Wie der Weltraum auf den Körper wirkt

Die Raumfahrt geht einher mit Schwerelosigkeit und Strahlenbelastung. Länger dauernden bemannten Missionen stehen beträchtliche medizinische Probleme entgegen.

In Science Fiction-Filmen, zumal den älteren, sieht alles so schön einfach aus: Da spaziert die Besatzung durch ihr Raumschiff, als hätte sie festen Boden unter den Füßen, jahrelang ist die Crew fern der Erde unterwegs, ohne dadurch Schaden zu nehmen. Die Realität ist ernüchternder. Längeren Reisen in den Weltraum stehen beträchtliche Schwierigkeiten im Wege – und diese sind beileibe nicht nur technischer Natur. Schon ein mehrwöchiger Aufenthalt auf dem Mond oder in einer um ihn kreisenden Raumstation und erst recht eine Mission zum Mars wären mit etlichen, teils unwägbaren Risiken für die Gesundheit verbunden.

Vor allem kosmische Strahlen und Schwerelosigkeit können massive Schäden im Körper anrichten. Die Folgen betreffen nahezu alle Systeme: Herz und Kreislauf, Muskeln und Knochen, Gehirn, Stoffwechsel, Abwehrkräfte, Haut, Atemwege sowie auf molekularer Ebene das Erbgut und die Zellteilung. Auf der Erde schützen das Magnetfeld und die Atmosphäre Lebewesen vor den Strahlen der Sonne und aus den Tiefen des Alls. In einem Habitat auf der Oberfläche des Mondes oder auf der geplanten Raumstation „Lunar Orbital Platform-Gateway“* könnte die Strahlung je nach Qualität der Abschirmung bis zu 588-mal höher sein. Auf dem Mars und der Internationalen Raumstation ISS (sie kreist in 400 Kilometern Höhe um die Erde) ist die Strahlung etwa 250-mal stärker als in Köln, wo das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt seinen Sitz hat, von dem diese Angaben stammen.

Raumfahrt: Hohe Strahlendosen könnten das Krebsrisiko steigen lassen

Bei diesen Dosen drängt sich die Vermutung auf, dass es zu Mutationen im Genmaterial kommen und das Krebsrisiko steigen könnte – zumindest, wenn Menschen ihnen länger als nur ein paar Tage ausgesetzt wären. Christine Hellweg, Strahlenbiologin am DLR, bestätigt diese Möglichkeit, sagt aber auch, dass Menschen „unterschiedlich empfindlich auf Strahlen reagieren“. Deshalb sei es wichtig, nach „Biomarkern“ im Blut zu forschen, die Hinweise auf individuelle Strahlenresistenz geben könnten.

Die Raumfahrt, wie sie bisher betrieben wurde, liefere keine Hinweise auf eine erhöhte Krebshäufigkeit bei Astronauten, sagt die Wissenschaftlerin. Allerdings war bisher noch kein Mensch so lange und unter solchen Bedingungen im All, wie es für künftige Missionen vorgesehen ist. Die Apollo-Astronauten verbrachten meist nur einige Stunden auf dem Mond und wenige Tage im All. In Zukunft könnten es durchschnittlich 40 Tage sein, sagt Tobias Weber, Weltraumphysiologe am Europäischen Astronautenzentrum in Köln. Eine Reise zum Mars würde insgesamt etwa drei Jahre in Anspruch nehmen.

Raumfahrt: Die Augen reagieren empfindlich auf die Verhältnisse im Weltraum

Besonders empfindlich auf die im Weltraum herrschenden Verhältnisse reagieren die Augen. Die erhöhte Strahlung könnte Grauen Star begünstigen und auch die Schwerelosigkeit sich negativ auf die Sehkraft auswirken: „Die fehlende Gravitation führt dazu, dass Blut und Wasser im Körper Richtung Kopf fließen“, erläutert Tobias Weber. Daraus resultierende Probleme wie eine Verformung der Augäpfel und eine Schwellung des Sehnervenkopfes wurden bei Astronauten beobachtet und bekamen den Namen „Spaceflight associated neuro-ocular syndrome“. Durch die Umverteilung von Körperflüssigkeiten in der Schwerelosigkeit verändert sich die Hämodynamik (die Verteilung von Blut in den Gefäßen) im gesamten Organismus, sagt Weber. Das belaste nicht nur die Augen, sondern ändere auch zahlreiche physiologische Prozesse in anderen Organen, die noch längst nicht alle verstanden seien.

Der menschliche Körper ist an die Gravitation der Erde angepasst, Schwerelosigkeit stellt für ihn einen unnatürlichen Zustand dar: Der Kreislauf fährt runter, Muskel- und Knochenmasse geht verloren. Besonders stark leidet die Wirbelsäule, die wie der gesamte Bewegungsapparat auf den aufrechten Gang ausgerichtet ist. „Astronauten haben deshalb ein vierfach erhöhtes Risiko für einen Bandscheibenvorfall“, sagt Weber. Um den Kreislauf in Schwung und den Muskel-Knochen-Abbau in Grenzen zu halten, sind auf der ISS täglich 90 Minuten Training Pflicht. In einem Forschungsprojekt soll zudem untersucht werden, welchen Effekt Sport in der virtuellen Realität hat, wenn man sich die Bewegung also nur vorstellt. Eine Idee, die zunächst merkwürdig klingen mag – die aber auch auf der Erde vielen Menschen helfen könnte, etwa Patienten, die einen Schlaganfall erlitten haben.

Ein Habitat auf dem Mond müsste ausreichend Schutz vor Strahlen bieten.

Bis auf mehr als 40 Grad kann die Körpertemperatur steigen, wenn Raumfahrer auf der ISS Sport treiben, 38 Grad sind dort oben der Normalwert. Wissenschaftler der Berliner Charité haben dazu geforscht und vermuten, dass der Körper in Schwerelosigkeit überschüssige Hitze nicht loswerden kann. Weltraumfieber – das scheint für eine gesteigerte Abwehraktivität zu sprechen. Tatsächlich aber gehen Experten eher davon aus, dass das Leben fern der Erde das Immunsystem schwächt.

Raumfahrt: Längere Missionen lassen graue Substanz im Gehirn schrumpfen

Auch am Gehirn geht ein Aufenthalt im All nicht spurlos vorüber. Wissenschaftliche Untersuchungen an Astronauten ergaben nach längeren Missionen, dass das Volumen der grauen Substanz geschrumpft war. Das bildete sich auf der Erde im Laufe eines halben Jahres zwar zurück, jedoch nicht komplett. An Volumen zugenommen hatte hingegen der mit Nervenwasser gefüllte Raum im Großhirn. Auch könne sich die Neuroplastizität im Gehirn verändern, also die Art, wie Nervenzellen miteinander kommunizieren und Synapsen miteinander verschaltet sind, sagt Floris Wuyts, Professor für Physik an der Universität Antwerpen und Wissenschaftsminister bei der „Weltraumnation Asgardia“, einer Organisation, die eine Besiedlung des Weltraums anstrebt. Veränderungen im Gehirn könnten auch erklären, warum Astronauten nach der Rückkehr Probleme mit der Balance haben; ein Thema, zu dem Wuyts forscht.

Auf der Internationalen Raumstation müssen die Astronauten täglich trainieren, hier Alexander Gerst.

Bisher haben nur wenige Menschen länger als ein halbes Jahr am Stück im Weltraum verbracht. Einer von ihnen ist Scott Kelly, der von März 2015 bis Februar 2016 auf der ISS gelebt hat, während sein eineiiger Zwillingsbruder Mark am Boden blieb. Da beide über die identischen Gene verfügen, ließen sich die Auswirkungen des langen Aufenthalts im Weltraum gut ablesen; rund 80 Wissenschaftler waren damit beschäftigt. Wie erwartet, dokumentierten sie Belastungen des Herz-Kreislaufsystems, erhöhte Entzündungswerte sowie Veränderungen bei Muskeln und Knochen. 

Unmittelbar dramatische Folgen könnten es haben, käme es bei langen Flügen durch die Prozesse im Gehirn zu einem Nachlassen der geistigen Fähigkeiten. Dann drohten den Raumfahrern fatale Fehler zu unterlaufen. Bei Scott Kelly fanden sich Anhaltspunkte, dass ein solches Szenario nicht aus der Luft gegriffen ist: Nach seiner Rückkehr von der ISS schnitt der Amerikaner bei kognitiven Tests schlechter ab als vor der Reise; es dauerte ein halbes Jahr, bis er sein früheres Niveau wieder erreicht hatte.

Nicht alle Phänomene, die die Raumfahrt im Weltall auslöst, bilden sich zurück

Zudem zeigten sich teils überraschende Veränderungen bei den Zellkernen, so bei der Aktivität von Genen und bei den Telomeren, den Kappen an den Enden der Chromosomen, die als Indikatoren für den Alterungsprozess gelten. Nicht all diese Phänomene bildeten sich auf der Erde wieder zurück. Erklärungen, warum das so ist und welche Folgen es haben könnten, vermag die Wissenschaft bis heute nicht zu geben.

Es liegt nahe, Effekte auf das Erbgut allein der erhöhten Strahlung zuzuschreiben. Doch auch Schwerelosigkeit wirkt bis in die Zellkerne hinein, wie man mittlerweile weiß. Mit diesem Thema beschäftigt sich Oliver Ulrich, der unter anderem Honorarprofessor für Raumfahrtmedizin an der Ernst-Abbe-Hochschule Jena und Mitglied der International Academy of Astronautics ist. Mechanische Kräfte würden in die Struktur der Zelle und des Zellkerns übergeleitet, „wo sie fundamentale zellinterne Vorgänge beeinflussen und regulieren“, erklärt er. Dabei reagierten die Zellen äußerst schnell, binnen von Sekunden bis Minuten, auf Veränderungen der Gravitation. Welche Bedeutung das für die Gesundheit von Raumfahren hat, auch das lässt sich indes noch nicht sagen.

Raumfahrt: Werden Bakterien durch Strahlung und Schwerelosigkeit gefährlicher?

Neben menschlichen Zellen sind auch die Millionen Mikroorganismen, die den Körper besiedeln, Strahlen und Schwerelosigkeit ausgesetzt. Ob Bakterien dadurch möglicherweise gefährlicher werden können? Man weiß es nicht. „Auch Medikamente könnten im Weltraum anders wirken als auf der Erde“, erklärt Tobias Weber. Und was ist eigentlich, wenn jemand operiert werden muss, zum Beispiel aufgrund eines Blinddarmdurchbruchs? „Wir haben keine Ahnung, wie sich der menschliche Körper bei einem Eingriff unter Schwerelosigkeit oder partieller Schwerkraft verhält“, sagt der Physiologe.

In einer Zentrifuge werden die Effekte künstlicher Schwerkraft erprobt.

Noch weitaus weniger erforscht als die Folgen von Schwerelosigkeit sind die Reaktionen auf partielle Schwerkraft, wie sie auf dem Mond mit einem Sechstel und auf dem Mars mit einem Drittel der Erdanziehungskraft herrscht. Die einzigen Menschen, die jemals partieller Schwerkraft ausgesetzt waren, sind die Astronauten der Apollo-Missionen, doch sie alle hielten sich dort nur kurze Zeit auf. „Welche Folgen ein längerfristiger Aufenthalt hätte, ist völlig ungewiss“, erklärt Weber.

Neben möglichen körperlichen Problemen ist auch die psychische Belastung einer lang andauernden Isolation, des Zusammenseins auf engstem Raum in einer geschlossenen, künstlichen Umgebung, nicht zu unterschätzen. „Astronauten sind zwar gesünder als der Durchschnitt, aber nicht viel. Die psychische Stärke und Stabilität ist wichtiger als die physische“, erklärt Tobias Weber: „Sie müssen von morgens bis abends funktionieren, Entscheidungen treffen können und dabei teamfähig, besonnen und überlegt sein. Deshalb gibt es auch viele relativ alte Astronauten.“

Raumfahrt: Sind lange bemannte Reisen ethisch noch vertretbar?

All diese Erkenntnisse und wachsenden Ungewissheiten haben dazu geführt, dass bei den großen Weltraumbehörden heute zurückhaltender geplant wird. Während manche Experten in der Euphorie nach der ersten Mondlandung 1969* auf einen bemannten Flug zum Mars noch in den 1980er Jahren hofften, lässt der heutige Forschungsstand eher Zweifel an der ethischen Vertretbarkeit einer solchen Reise aufkommen – zumindest zum jetzigen Zeitpunkt.

Dass sich in absehbarer Zeit einmal ändert, daran arbeiten Spezialisten mit großem Eifer. Materialien wie Kunststoffe mit hohem Wasserstoffanteil sowie Wassertanks an den Wänden könnten Schutz vor Strahlen bieten, sagt Floris Wuyts. Allerdings darf ein Raumschiff dadurch nicht zu schwer werden – und Lebensmittel müssen ja auch noch mit an Bord, denn allein mit Pflanzenzucht ist der Nahrungsbedarf nicht zu decken, erklärt Tobias Weber. Ein wichtiger Bestandteil künftiger Missionen dürften zudem 3-D-Drucker werden – um Gegenstände bis hin zu Behausungen und für den Notfall sogar menschliches Gewebe bei Bedarf zu produzieren. Bei einem Projekt der europäischen Raumfahrtbehörde Esa gelang es bereits, mit Hilfe von Blutplasma hergestellte Haut- und Knochenzellen „auszudrucken“.

Raumfahrt: Könnte künstliche Schwerkraft helfen?

Intensiv beschäftigen sich Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker auch mit dem Thema künstliche Schwerkraft*. „Ein solches Raumschiff müsste als rotierendes System konstruiert sein“, erläutert Floris Wuyts. Man kann sich das ähnlich vorstellen wie im Film „Interstellar“. „Es müsste eine große Zentrifuge wirken, damit die Astronauten die ständige Drehung nicht merken“, führt der Physiker aus. „Sie würden sich dann außen im Ring aufhalten und könnten sich dort frei bewegen.“ Wie lang genau die Arme der Zentrifuge sein müssten, sei allerdings noch nicht geklärt, Experten gehen von etwa 150 Metern aus.

Trotz aller Hürden ist Wuyts überzeugt, dass Menschen die Erde und ihren Orbit auch für längere Zeit verlassen werden. „Es sind noch essentielle Probleme zu lösen, deshalb können wir nur in Schritten zu den Sternen gehen. Aber geschehen wird es. Das ist nicht eine Frage des Ob, sondern des Wann. Wir Menschen sind neugierig, deshalb müssen wir es tun. “

Von Pamela Dörhöfer

*fr.de ist Teil der bundesweiten Ippen-Digital-Zentralredaktion.

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