Die Erforschung des Weltraums erfordert einen Paradigmenwechsel in der medizinischen Versorgung von Astronauten hin zu erdunabhängigen medizinischen Operationen. Derzeit sind Astronauten auf Echtzeitkommunikation mit bodengebundenen medizinischen Einrichtungen angewiesen. Mit zunehmender Entfernung von der Erde nehmen jedoch Kommunikationsverzögerungen und -störungen zu. Besatzungen, die den Weltraum erforschen, müssen Krankheiten autonom erkennen, diagnostizieren, behandeln und vorbeugen können. Eine mögliche Lösung besteht darin, das Wissen, die Fähigkeiten und die Kompetenzen von Besatzungen, die an Langzeitmissionen teilnehmen, durch ein digitales klinisches Entscheidungsunterstützungssystem (CDSS) zu erweitern.
Die Abteilung für medizinische Explorationsfähigkeiten (ExMC) des NASA-Programms für Humanforschung untersucht die Machbarkeit und den Nutzen erweiterter Fähigkeiten zur Entwicklung und Verbesserung von EIMO (Exploration Medical Intelligence). Das ExMC-Forschungsteam hat ein CDSS-Konzept (Clinical Decision Support System) entwickelt, das kontinuierlich medizinische Daten durch passives und aktives Monitoring erfasst und in Echtzeit Empfehlungen liefert. Dies soll die Behandlungsergebnisse für Patienten verbessern und die Belastung des Gesundheitssystems reduzieren.
Die im von ExMC entwickelten CDSS-System integrierten Assistenztechnologien sind darauf ausgelegt, die medizinische Versorgung der Besatzung deutlich zu verbessern. Private Anwendungen dieses Ansatzes werden derzeit für kommerzielle Raumfahrtprogramme geprüft und liefern ein anschauliches Beispiel dafür, wie die Forschung von ARC Space Biosciences dem gesamten Raumfahrtsektor zugutekommt.
Gesundheit im Weltraum. NASA
Bei Langzeitmissionen konzentriert sich das medizinische Team der NASA darauf, die körperliche und geistige Gesundheit der Astronauten zu optimieren und ihre Leistungsfähigkeit zu steigern, um den Erfolg der Mission zu gewährleisten. Diese Bemühungen helfen der NASA auch, sich auf zukünftige bemannte Missionen zum Mond, Mars und darüber hinaus vorzubereiten.
Die NASA unterhält auf der Erde ein Team aus Ärzten, Psychologen und anderen Spezialisten, die sich vor, während und nach jeder Weltraummission um die Gesundheit und das Wohlbefinden der Astronauten kümmern. Jeder Missionscrew werden speziell in Weltraummedizin ausgebildete Flugchirurgen zugeteilt. Diese Flugchirurgen überwachen die medizinische Versorgung und das Training der Crewmitglieder während der Missionsvorbereitung und betreuen deren Gesundheit vor, während und nach dem Flug zur Raumstation.
Die Internationale Raumstation (ISS) ist die Heimat der Menschheit im Weltraum und eine Forschungsstation, die die Erde in etwa 400 Kilometern Höhe umkreist. Die NASA und ihre internationalen Partner betreiben seit über 24 Jahren eine kontinuierliche menschliche Präsenz an Bord der Raumstation und führen dort Forschungen durch, die auf der Erde unmöglich wären. Die Menschen, die in diesem Mikrogravitationslabor leben und arbeiten, tragen auch zur laufenden Forschung bei und helfen so, komplexe Gesundheitsprobleme auf der Erde zu lösen und die Menschheit auf Reisen in noch nie dagewesene Weiten vorzubereiten, darunter zum Mond und zum Mars.
NASA-Expedition-69-Astronaut Frank Rubio ruht sich aus und unterhält sich mit NASA-ISS-Programmmanager Joel Montalbano (kniend, links), NASA-Flugmediziner Josef Schmid (mit roter Kappe) und dem Leiter des NASA-Astronautenbüros, Joe Acaba, in der Nähe des Raumschiffs Sojus MS-23 nach dessen Landung mit den Roskosmos-Kosmonauten Sergei Prokopjew und Dmitri Petelin in einem abgelegenen Gebiet nahe der Stadt Scheskasgan in Kasachstan am 27. September 2023. NASA/Bill Ingalls
Eine typische Mission zur Internationalen Raumstation (ISS) dauert etwa sechs Monate, kann aber je nach Besuchsplan der Raumschiffe, Missionsprioritäten und anderen Faktoren variieren. NASA-Astronauten haben sich auch schon länger auf der ISS aufgehalten. Solche Missionen werden als Langzeitmissionen bezeichnet. Frühere Missionen lieferten der NASA umfangreiche Daten über Langzeitraumflüge und deren Auswirkungen auf den menschlichen Körper, die die Behörde bei allen bemannten Missionen berücksichtigt.
Das Verhaltensgesundheitsteam der NASA bietet Besatzungsmitgliedern und ihren Familien während jeder Mission individuelle psychologische Unterstützung. Der Erfolg der Astronauten in extremen Umgebungen wird bereits im Auswahlprozess sichergestellt, in dem Kandidaten auf Eigenschaften wie Anpassungsfähigkeit und Resilienz geprüft werden. Die Astronauten durchlaufen ein umfassendes Training, das sie befähigt, Selbstbewertungsinstrumente und Behandlungsmethoden zur Bewältigung ihrer psychischen Probleme anzuwenden. Die NASA führt außerdem Expeditionstrainings durch, um jeden Astronauten optimal auf seine Missionen vorzubereiten und wichtige Fähigkeiten wie Selbstfürsorge, Teamarbeit, Kommunikation, Führung und die Fähigkeit, anderen zu folgen, zu entwickeln.
Um die Motivation und Moral an Bord der Raumstation aufrechtzuerhalten, können die Astronauten E-Mails senden, telefonieren und Videokonferenzen mit ihren Familien und Freunden abhalten, Hilfspakete an Bord von NASA-Frachtmissionen erhalten und bei Bedarf eine Telefonkonferenz mit einem Psychologen abhalten.
Neben der technischen Ausbildung absolvieren Astronauten auch ein Teamtraining. Sie lernen, effektiv in einer Gruppe zu leben und sich gegenseitig zu unterstützen. Langzeit-Weltraumflüge können aufgrund der Abgeschiedenheit und Isolation die Teamarbeit erschweren. Astronauten müssen die Lage stets im Blick behalten und den Missionsplan in einem sich ständig verändernden Umfeld umsetzen. Daher ist effektive Kommunikation entscheidend für die Zusammenarbeit im Team an Bord der Station und mit den verschiedenen Unterstützungsgruppen auf der Erde. Astronauten müssen zudem in der Lage sein, komplexe Informationen an Menschen mit unterschiedlichem beruflichen Hintergrund zu vermitteln. Letztendlich sind Astronauten Menschen, die gemeinsam an Bord der Station leben und arbeiten, und sie müssen komplexe technische Aufgaben bewältigen und auftretende zwischenmenschliche Probleme lösen können.
Ärzte überwachen kontinuierlich die Gesundheit der Astronauten mithilfe von Sensoren, Tests und Probenentnahmen, um die Langzeitwirkungen von Raumflügen zu verstehen. Dies trägt dazu bei, die Fitness der Besatzung für zukünftige Missionen zum Mond, Mars und darüber hinaus zu erhalten und medizinische Behandlungen auf der Erde zu verbessern. Ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit ist körperliches Training, um dem durch Raumflüge verursachten Verlust von Muskel- und Knochenmasse entgegenzuwirken. Während des Trainings und im Alltag tragen die Astronauten regelmäßig eine Bio-Monitor-Weste und ein Armband, die mit Sensoren ausgestattet sind, welche Herzfrequenz, Atmung und andere Gesundheitszustände bis zu 48 Stunden lang überwachen. Die Daten können von Ärzten auf der Erde in Echtzeit ausgewertet oder zur späteren Analyse zur Erde hochgeladen werden.
Während der Expedition 74 legte NASA-Flugingenieur Chris Williams beispielsweise frühmorgens einen tragbaren Biomonitor an und begann damit eine zweitägige Gesundheitsüberwachung. Anschließend trainierte er an einem Advanced Resistance Device (ARED), das freie Gewichte auf der Erde simuliert, und lief danach auf einem COLBERT-Laufband. Dieses half, die Auswirkungen der Mikrogravitation auszugleichen und ermöglichte es den Ärzten, den Zustand seines Herzens, seiner Lunge, seiner Muskeln und Knochen in der Schwerelosigkeit zu beurteilen. Der Biomonitor, ein von der kanadischen Raumfahrtbehörde entwickeltes biomedizinisches Gerät, ist seit Januar 2019 an Bord der Raumstation im Einsatz.
Später half Williams der NASA-Flugingenieurin Zena Cardman in der Luftschleuse des Raumschiffs Quest beim Einbau geladener Lithium-Ionen-Batterien in zwei Raumanzüge.
Den ganzen Mittwoch verbrachte Stationskommandant Mike Fincke mit der Wartung verschiedener Trainingsgeräte und wissenschaftlicher Instrumente. Zunächst installierte er Kinematik-Hardware am ARED-Instrument, das die Muskel- und Knochenbelastung der Besatzung während des Weltraumtrainings misst. Die Forscher nutzen die visuellen Daten, um die Trainingsprogramme anzupassen und die Fitness der Besatzung in der Schwerelosigkeit zu optimieren. Anschließend tauschte er zwei Festplatten aus und leitete Gas in den Verdunstungsfrei-Versuchstank ein, der auf seine Eignung zur Lagerung kryogener Flüssigkeiten in Raumschifftreibstofftanks getestet wird.
Ein rötlich-gelber Schein der Atmosphäre taucht den Horizont der Erde in ein warmes Licht, und die Lichter der Städte Südwest-Europas und Nordafrikas funkeln vor dem Hintergrund des Atlantischen Ozeans und des Mittelmeers, die die beiden Kontinente trennen. Zum Zeitpunkt der Aufnahme befand sich die Internationale Raumstation (ISS) um etwa 19:47 Uhr Ortszeit in einer Höhe von 422 Kilometern über dem Atlantischen Ozean. (NASA)
Der Flugingenieur Kimiya Yui von JAXA (Japanische Raumfahrtbehörde) begann seine Schicht im Kibo-Labormodul mit der Überprüfung der Verbrennungsforschungsanlagen auf Gaslecks. Anschließend schaltete er ein Fluoreszenzmikroskop ein, um Veränderungen in der Bildung flacher Flüssigkristallfilme unter Mikrogravitation zu beobachten. Die Ergebnisse dieser Studie könnten zur Entwicklung von Displays für Touchpanels und Instrumententafeln beitragen und somit sowohl bodengebundene als auch Weltraumgeräte verbessern.
Nach Schichtende nahmen alle vier Astronauten gemeinsam mit den Roskosmos-Kosmonauten Sergei Kud-Swertschkow, Sergei Mikajew und Oleg Platonow an Notfallübungen teil. Die sieben Besatzungsmitglieder übten das Vorgehen bei unwahrscheinlichen Ereignissen wie Druckabfall, einem Chemikalienaustritt oder einem Brand an Bord der Raumstation. Mithilfe von Tablet-Computern wiederholten sie die Verfahren und Kommunikationsprotokolle, die sie in Abstimmung mit der Bodenstation anwenden werden.
Ein paar Tage später untersuchte die Besatzung der Expedition 74 die Auswirkungen des Lebens im Weltraum auf die Gehirnfunktion und den Kreislauf, um die Gesundheit der Besatzung und den langfristigen Erfolg der Mission sicherzustellen. Zum Ende der Woche konzentrierten sich die Bewohner der Internationalen Raumstation außerdem auf die Wartung der Instrumente für Außenbordeinsätze und der wissenschaftlichen Ausrüstung.
Am Freitag begann NASA-Flugingenieur Chris Williams seine Schicht mit der Entnahme von Blut- und Urinproben für die Analyse und deren anschließender Lagerung in einem Gefrierschrank für wissenschaftliche Zwecke. Im Rahmen der Langzeitstudie CIPHER nahm Williams dann an zwei Tests teil, die mögliche Veränderungen der Gehirnstruktur und -funktion durch Raumflüge dokumentieren sollen. Der erste Test maß seine räumliche Kognition, also seine Fähigkeit, sich in der Schwerelosigkeit zu orientieren. Der zweite Test erfasste seine Reaktionen während Übungen mit dem Roboterarm Canadarm2 in einer Computersimulation zum Einfangen eines Frachtraumschiffs. Ärzte werden die Ergebnisse nutzen, um seine kognitiven Fähigkeiten zu beurteilen und Instrumente zur Überwachung und zum Schutz des Gehirns in der Mikrogravitation zu entwickeln.
Stationskommandant Mike Fincke von der NASA und Flugingenieur Kimiya Yui von der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA untersuchten abwechselnd den Blutfluss vom Gehirn zum Herzen, um die Effizienz der Gehirn- und Herzfunktion im Weltraum zu verstehen. Elektroden und Sensoren wurden an Hals, Schlüsselbein und Rippen angebracht, um Veränderungen des Blutflusses und -volumens zu messen, die zu weltraumbedingten Herzproblemen wie Thrombosen oder Arterienversteifung führen könnten.
Die Besatzungen der Expeditionen 73 und 74 posieren am Tag vor ihrer Rückkehr zur Erde für ein Gruppenfoto. NASA-Astronaut Johnny Kim und die Roskosmos-Kosmonauten Sergei Ryschikow und Alexej Subritski. Erste Reihe, von links nach rechts: Die NASA-Astronauten Chris Williams und Mike Fincke mit Sergei Ryschikow. Zweite Reihe: Roskosmos-Kosmonaut Sergei Michajew, NASA-Astronautin Zena Cardman, Roskosmos-Kosmonaut Sergei Kud-Swertschkow und Johnny Kim. Zweite Reihe: JAXA-Astronautin Yui Kimiya und die Roskosmos-Kosmonauten Oleg Platonow und Alexej Subritski. NASA
Die Roskosmos-Kosmonauten Sergei Kud-Swertschkow und Sergei Mikajew untersuchten im Rahmen eines von der Raumfahrtbehörde durchgeführten Experiments mit menschlichen Endothelzellen die Gefäßgesundheit mithilfe von Elektroden am Brustkorb und Blutdruckmanschetten an Armen, Handgelenken und Fingern. Sie erforschten, wie die innere Auskleidung der Blutgefäße eine ununterbrochene Durchblutung gewährleistet, den Blutdruck reguliert und Blutgerinnseln bei den Besatzungsmitgliedern vorbeugt. Ärzte überwachen, wie sich Schwerelosigkeit und Weltraumstrahlung während des Raumflugs auf die Arterien, den Blutdruck und das Herz der Kosmonauten auswirken.
Am Freitag kehrte NASA-Flugingenieurin Zena Cardman zur Quest-Luftschleuse zurück, um Instrumente für den Außenbordeinsatz vorzubereiten. Mithilfe einer Virtual-Reality-Brille übte sie die Bedienung des Notfall-Jetpacks des Raumanzugs. Dieses Jetpack, offiziell „Simplified Aid For EVA Rescue“ (SAFER) genannt, ermöglicht Astronauten die sichere Rückkehr zur Orbitalstation im unwahrscheinlichen Fall einer Trennung von ihrer Sicherungsleine.
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Roskosmos-Flugingenieur Oleg Platonow schloss die nächtliche Fotoaufnahme ab, die automatisch Nah-Ultraviolett-Bilder von Erdmerkmalen aufnahm, während die Besatzung schlief. Anschließend tauschte Platonow im Rahmen der routinemäßigen Wartung des orbitalen Rohrleitungssystems eine Vakuumpumpe aus und pumpte Flüssigkeiten um. Zum Schluss überprüfte er – zum ersten Mal im Weltraum – die Videoaufzeichnungsgeräte und formatierte die Speicherkarten, womit seine Arbeitswoche an Bord des Orbitallabors endete. Die Besatzung der Expedition 74 wird Kontakt zu ihren Familien aufnehmen, Geschenke und Essen austauschen und Weihnachten und Neujahr im Orbit feiern.
Die Besatzungsmitglieder der Expedition 72 erforschten Möglichkeiten zum Schutz des Immun- und Herz-Kreislauf-Systems in der Mikrogravitation und testeten robotische Andockverfahren an Bord der Internationalen Raumstation.
Ohne die Schwerkraft der Erde verändern sich die Körper der Astronauten rasant. Zahlreiche dieser Veränderungen werden von medizinischen Teams täglich untersucht, um die Gesundheit der Besatzung während Langzeitmissionen zu gewährleisten. Im Rahmen eines Experiments, dem Immunitätstest, werden Blut- und Speichelproben von den Besatzungsmitgliedern entnommen, verarbeitet und in wissenschaftlichen Gefrierschränken gelagert. Anschließend werden die Proben zur Erde zurückgebracht und analysiert. So lassen sich weltraumbedingter Zellstress und Gewebeschäden identifizieren, was potenziell zur Entwicklung von Behandlungsmethoden für die Besatzungen führen kann. Der japanische Raumfahrtingenieur Takuya Onishi stellte seine Proben für die Studie zur Verfügung. Diese könnten Forschern helfen, stressbedingte Immunerkrankungen im Weltraum und auf der Erde zu verhindern.
Stationskommandant Alexey Ovchinin und Bordingenieur Ivan Vagner, beide Roskosmos-Kosmonauten, setzten ihre Forschungen zur Weltraumbiologie fort und untersuchten, wie das Blut in der Schwerelosigkeit vom Gehirn zu den Extremitäten fließt. Abwechselnd trugen sie Sensoren an Stirn, Fingern und Zehen, die Aufschluss darüber gaben, wie sich der Kreislauf an den Raumflug anpasst. Die erfahrenen Kosmonauten nehmen an einer einwöchigen Studie teil, die ihr umfangreiches Wissen in der Weltraummedizin erweitert. Dieses Wissen werden sie nutzen, um Besatzungen auf Langzeitmissionen zu schützen.
Das Cygnus-Raumschiff von Northrop Grumman ist kurz nach der Trennung vom Roboterarm Canadarm2 während des Fluges der Internationalen Raumstation über dem Südpazifik am 31. Januar 2020 abgebildet. (NASA)
Die Ernährung spielt eine entscheidende Rolle für die Gesundheit und Leistungsfähigkeit der Astronauten vor, während und nach einer Mission. Auch psychosozial ist das Essen während des längeren Aufenthalts an Bord der Raumstation wichtig. Experten des NASA-Labors für Weltraumnahrungssysteme im Johnson Space Center in Houston entwickeln nahrhafte und schmackhafte Mahlzeiten. Die Besatzungsmitglieder können den Speiseplan zudem mit ihren Lieblingsgerichten und Fertiggerichten individuell gestalten und sich so wie zu Hause fühlen.
NASA-Ernährungswissenschaftler und Spezialisten für Ernährungsbiochemie ermitteln den Nährstoffbedarf (Vitamine, Mineralstoffe, Kalorien) der Astronauten während ihres Aufenthalts im Weltraum. Dieses Team überwacht die Ernährung jedes Crewmitglieds mithilfe einer speziellen Tablet-App, die täglich genutzt wird. Die Daten der App werden wöchentlich an die Ernährungswissenschaftler zur Überwachung der Ernährung übermittelt. Die Analyse von Blut- und Urinproben der Astronauten vor, während und nach dem Raumflug ist ein entscheidender Bestandteil der Untersuchung der Reaktionen ihres Körpers auf die besonderen Bedingungen im Weltraum. Diese Proben liefern wertvolle Informationen über die Anpassung jedes Astronauten an Mikrogravitation, Strahlung und andere Faktoren, die die menschliche Physiologie im Weltraum beeinflussen.
NASA-Astronautin und Flugingenieurin der Expedition 71, Tracy S. Dyson, präsentiert Lebensmittelbeutel der japanischen Raumfahrtagentur JAXA in der Bordküche des Unity-Moduls der Internationalen Raumstation. NASA
Was geschieht im Falle eines medizinischen Notfalls auf der Raumstation?
Alle Astronauten absolvieren eine medizinische Ausbildung und stehen in regelmäßigem Kontakt mit einem Ärzteteam, das ihren Zustand auf der Erde engmaschig überwacht. Die NASA unterhält zudem eine gut ausgestattete Apotheke und diverse medizinische Geräte an Bord der Raumstation, um verschiedene Krankheiten und Verletzungen zu behandeln. Sollte ein medizinischer Notfall eine Rückkehr zur Erde erforderlich machen, kehrt die Besatzung mit dem zur Notfallversorgung gestarteten Raumschiff zurück.
Vor jeder Mission unterziehen sich die Astronauten einer Reihe medizinischer Tests, um ihren Gesundheitszustand vor dem Flug zu ermitteln. Dabei werden wichtige Parameter wie aerobe Fitness, Beweglichkeit, Kraft und Ausdauer berücksichtigt. Diese Messungen vor dem Flug und die regelmäßige Gesundheitsüberwachung an Bord der Raumstation helfen den Spezialisten des NASA-Forschungsprogramms für Astronautenkraft und -konditionierung (ASCR), die Trainingsprogramme der Astronauten anzupassen und zu optimieren, um ihre Leistungsfähigkeit zu steigern.
Die Genesung beginnt am ersten Tag nach der Rückkehr zur Erde mit einer medizinischen Untersuchung und einem schrittweisen Aufbau von Übungen zur Verbesserung von Beweglichkeit, Gleichgewicht, Flexibilität, Ausdauer, Kraft, Kondition und der Fähigkeit des Körpers, Position und Bewegung wahrzunehmen. Zurückkehrende Astronauten durchlaufen dieselben Vorflugtests, um ihren Gesundheitszustand zu beurteilen. Anhand dieser Ergebnisse wird ein individuelles Genesungsprogramm entwickelt, das eine sichere und schrittweise Rückkehr zur körperlichen Leistungsfähigkeit vor dem Flug ermöglicht. Die ASCRs (Astronauten-Rehabilitationsteams) erstellen einen individuellen Rehabilitationsplan basierend auf dem Zustand, den Testergebnissen und dem Gesundheitszustand des Astronauten. Während die Besatzungsmitglieder das Nachflugprogramm durchlaufen, wird jeder Aspekt ihrer funktionellen Genesung sorgfältig überwacht und berücksichtigt, um einen reibungslosen Übergang in den Alltag zu gewährleisten und sie auf zukünftige Missionen vorzubereiten.
Die Rehabilitation nach dem Flug wird individuell auf jeden Astronauten abgestimmt. Obwohl die meisten Besatzungsmitglieder innerhalb der ersten 45 Tage nach ihrer Rückkehr zur Erde ihr ursprüngliches Fitnessniveau vor dem Flug wiedererlangen, verlängert die NASA die Rehabilitationsprogramme häufig, um den spezifischen Bedürfnissen und dem Genesungstempo des Astronauten gerecht zu werden.
NASA-Astronaut und Bordingenieur der Expedition 72, Nick Hague, tritt in die Pedale des Fahrradergometers, an dem das Ceviation Isolation and Stabilization System (CEVIS) im Destiny-Labormodul der Internationalen Raumstation installiert ist. Das CEVIS ermöglicht aerobes und kardiovaskuläres Training im Liegen oder Stehen. NASA
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