Quelle: Charité – Universitätsmedizin Berlin 1. Februar 2024.

1. Februar 2024 – Muskelschwund, Knochenabbau und Veränderungen im Gehirn: Das sind nur einige der Folgen, mit denen Raumfahrende nach Aufenthalten in der Schwerelosigkeit zu kämpfen haben. Dazu kommt die psychologische Belastung durch die räumliche Enge und Isolation auf einer Raumstation. Nicht nur weil die Weltraumorganisationen längere bemannte Flüge ins All planen, sondern auch weil der Weltraumtourismus an Fahrt aufnimmt, kommt der Erforschung dieser Phänomene eine wachsende Bedeutung zu.

Dabei ist der Weltraum nur die extremste Umwelt, in die sich der Mensch begeben kann. Auch auf der Erde gibt es Bedingungen, die den Körper außergewöhnlich stark belasten – zum Beispiel durch sehr hohe oder niedrige Temperaturen, Über- und Unterdruck oder Reizarmut. Die Erforschung dieser Umgebungen und ihres Einflusses auf den Menschen hilft nicht nur, Expeditionen ins Hochgebirge oder die Arbeit der Feuerwehr sicherer zu gestalten, sondern liefert auch wichtige Erkenntnisse zum Umgang mit Hitzewellen, Bewegungsarmut oder Einsamkeit.

Selbst viele Erkenntnisse zum Aufenthalt im Weltraum kommen den Menschen auf der Erde zugute: Ähnlich wie im All verlieren Personen, die lange liegen müssen, viel Muskulatur, ihr Osteoporose-Risiko steigt. Und wie im All kann Krafttraining dieses Risiko senken. Um die anatomischen, physiologischen und psychologischen Anpassungen des Menschen an den Weltraum zu untersuchen, müssen Forschende aber nicht zwangsläufig Experimente im All durchführen. Durch Simulationsszenarien wie Parabelflüge, Isolationsstudien in der Antarktis oder Bettruhestudien lassen sich wichtige Erkenntnisse auch auf der Erde sammeln.

Studium an drei Universitäten in Europa
Um den wissenschaftlichen Nachwuchs für dieses Fachgebiet spezifisch auszubilden, haben die Charité, die Université de Caen Normandie (Frankreich) und die Jožef Stefan International Postgraduate School (Slowenien) ihre Expertise in der Weltraummedizin vereint und einen Gemeinsamen Erasmus-Mundus-Masterstudiengang konzipiert. Er soll Studierende dazu befähigen, die Fachgebiete der Weltraummedizin und Physiologie in extremen Umwelten aufseiten der Forschung voranzubringen, Raumfahrende medizinisch zu betreuen oder Lebenserhaltungssysteme für die Raumfahrt zu entwickeln.

„An der Charité haben wir mit dem Forschungsschwerpunkt Weltraummedizin am Institut für Physiologie eine lange Tradition der Untersuchung des Menschen im Weltraum und in extremen Umwelten“, sagt PD Dr. Alexander Stahn vom Institut für Physiologie der Charité, der den Studiengang an der Charité koordinieren wird. „Wir beforschen Fragenstellungen vom Bewegungsapparat bis zum zentralen Nervensystem, unsere Erkenntnisse haben internationale Strahlkraft. Ich freue mich sehr, dass wir diese ausgewiesene Kompetenz zusammen mit unseren Partnern nun in einem einzigartigen Studiengang strukturiert und interdisziplinär an die nächste Generation weitergeben können.“

Für Absolvent:innen aus Medizin, Natur- und Ingenieurswissenschaften
Das zweijährige Ausbildungsprogramm richtet sich an Interessierte mit einem Hochschulabschluss in Medizin, einem Masterabschluss in Ingenieurswissenschaften oder einem Bachelorabschluss in Natur- oder Bewegungswissenschaften. Die Studierenden verbringen je ein Semester an jeder der drei Universitäten und fertigen anschließend ihre Masterarbeit an einer von 28 internationalen Partnerorganisationen an. Sie haben die Möglichkeit, an Forschungsprojekten mitzuarbeiten, die von Raumfahrtagenturen wie der NASA und ESA oder dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert werden. Anschließend erhalten sie einen gemeinsam von den drei Universitäten ausgestellten Erasmus-Mundus-Masterabschluss.

Interessierte können sich bis zum 1. März über die Université de Caen Normandie für die Teilnahme an dem Studiengang bewerben. Das Programm bietet im ersten Jahrgang 13 Studienplätze, für die Stipendien zur Verfügung stehen. Unterrichtssprache ist Englisch. Die Einrichtung des Gemeinsamen Erasmus-Mundus-Masterstudiengangs wird von der EU mit rund 4,7 Millionen Euro gefördert.

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: DLR 4. November 2022.

4. November 2022 – Am 6. November 2022 um 11:50 Uhr MEZ (5:50 Uhr Ortszeit) soll das unbemannte Cygnus-Raumschiff NG-18 vom Weltraumbahnhof Wallops Island in Virginia (USA) zur Internationalen Raumstation ISS starten. Mit an Bord sind mit der Mission „Cellbox-3“ molekularbiologische Experimente der Charité Berlin und der Goethe-Universität Frankfurt für die biomedizinische Forschung. „Die Forscherteams wollen mit den Experimenten den Einfluss der Weltraumbedingungen und der Schwerelosigkeit auf das Verhalten von Immun-, Nerven- und Muskelzellen untersuchen und damit grundlegende Funktionen des menschlichen Körpers ergründen“, erläutert Dr. Michael Becker, Cellbox-3-Projektleiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Die Ergebnisse sollen dabei helfen, effektive Therapien gegen Immunerkrankungen und Muskelschwäche für Menschen auf der Erde, aber auch für astronautische Langzeitmissionen zu entwickeln.“

Die biologischen Proben werden in insgesamt 18 speziellen Experimentcontainern für biologische Zellkulturen zur ISS transportiert. Jedes dieser Minilabore hat dabei lediglich die Größe eines Mobiltelefons. Auf der Raumstation angekommen werden die Container in einer Inkubationsanlage installiert. Mit Hilfe einer Zentrifuge können die Zellproben darin unter Schwerelosigkeit und unter normalen Schwerkraftbedingungen wie auf der Erde untersucht werden. Dieser Wechsel hilft den Forschenden dabei, die unterschiedliche Wirkung auf die Zellkulturen besser zu erkennen. Die Experimentdauer beträgt lediglich fünf Tage, danach werden die Proben fixiert. Am 3. Januar 2023 kehren die Cellbox-Container mit der CRS-26-Dragon-Raumkapsel zur Erde zurück und werden anschließend im Labor untersucht.

Wie interagieren Nerven- und Muskelzellen in der Schwerelosigkeit?
Die Charité Berlin erforscht mit dem Experiment NEMUCO (Nerve-Muscle Co-culture) den Einfluss von Schwerelosigkeit auf Muskel- und Nervenzellen. Die Forschenden wollen damit vor allem die Interaktion und Kommunikation von Nerven- und Muskelzellen untersuchen. Erkrankungen des Muskelapparats oder langfristige Immobilität führen zu einem starken Rückgang der Struktur und Funktion von Verbindungen zwischen Muskeln und Nerven, was sich erheblich auf die Muskelmasse und damit auf die feinmotorische Leistung auswirkt. Die Proteinzusammensetzung und -anordnung unter den verschiedenen Schwerkraftbedingungen geben den Forschenden Auskunft über die molekularen Mechanismen hinter der Muskelsteuerung. Die Erkenntnisse aus dem Experiment sollen bei der Entwicklung effizienterer Methoden zur Behandlung von Muskelschwächeerkrankungen beim Menschen auf der Erde helfen.

Welche Folgen hat Schwerelosigkeit auf Knochenmark und Immunsystem?
Neue Erkenntnisse über das angeborene Immunsystem erhofft sich die Johann-Wolfgang-Goethe-Universität Frankfurt im Rahmen des SHAPE-Experiments mit einem Sphäroidmodell des menschlichen Knochenmarks. Als Sphäroid bezeichnet man dabei eine dreidimensionale Anordnung von Zellen. Mit SHAPE (Spheroid Aggregation and Viability in Space) will das Forscherteam die Bildung und Lebensfähigkeit solcher dreidimensionalen zellulären Sphäroide im Weltraum messen und analysieren. Die Ergebnisse erlauben ein besseres Verständnis von Veränderungen der angeborenen Immunität gegen Krankheitserreger und dienen als Grundlage für die intensivere Erforschung der molekularen Ursachen für Veränderungen der Blutbildung im Knochenmark (Myelopoese).

Medizinische Forschung mit dem Cellbox-Programm
Das aktuelle Cellbox-Programm wurde im Jahr 2011 ins Leben gerufen mit dem Ziel, molekularbiologische und medizinische Forschung in Schwerelosigkeit zu ermöglichen. Im Oktober 2011 starteten die ersten Probenbehälter mit der Mission SIMBOX zur chinesischen Raumstation Shenzhou. Mit an Bord waren 17 biologischen und medizinischen Experimente. Mit SpaceX-3 wurde im April 2014 die Mission Cellbox-1 mit zwei Experimenten zur Internationalen Raumstation transportiert. Dabei wurden Krebs- und Immunzellen in Schwerelosigkeit untersucht. Cellbox-2 erforschte im Dezember 2017 Immun-, Nerven- und Krebszellen auf der ISS. Mit Celbox-3 werden diese Untersuchungen nun fortgesetzt.

Unterstützt wird Cellbox-3 vom Start-Up Unternehmen yuri GmbH aus Meckenbeuren, das als Hardwareentwickler für die Vorbereitung, Missionsplanung und Unterstützung der Wissenschaftler verantwortlich ist. Durchgeführt wird Cellbox-3 im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen
• DLR

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Quelle: DLR 6. September 2022.

Premiere für „Spacebike“, das „Zero Boil-Off Tank“-Experiment und „CoolFly“
Die 39. Parabelflug-Kampagne der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR findet vom 29. August bis zum 8. September 2022 nach zwei Jahren erstmalig wieder in Bordeaux statt. „Wir freuen uns, nach vier Kampagnen, die aufgrund der Corona-Pandemie vom Flughafen in Paderborn aus stattgefunden haben, nun wieder in die ‚alte Heimat‘ des DLR-Parabelflugs zurückzukehren“, sagt Dr. Katrin Stang, Leiterin des Parabelflugprogramms der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Die Bedingungen in Deutschland waren sehr gut, doch die Infrastruktur in Bordeaux ist nach über 20 Jahren Parabelflug mit der Firma Novespace für unsere Bedürfnisse optimal.“

Vom französischen Heimatflughafen des A310 Zero-G starten in dieser Zeit zehn Experimente aus den Bereichen Biologie, Humanphysiologie und Materialwissenschaften, Technologie und Physik in die Schwerelosigkeit. Neu mit dabei sind die Experimente „Spacebike“, bei dem Probanden unter Weltraumbedingungen in die Pedale treten, das „Zero Boil-Off Tank“-Experiment zur Befüllung von Raumfahrzeugen mit Treibstoff sowie „CoolFly“, das die Wirkung von Kühlkleidung auf den menschlichen Kreislauf untersucht. Die sieben weiteren Experimente sind bereits bei früheren Kampagnen mitgeflogen. Hier werden die Daten anhand neuer Testpersonen erweitert oder neue Fragestellungen oder Materialien getestet. Gestartet wird an drei Flugtagen vom 6. bis zum 8. September, wobei zum ersten Mal auch ein Chefredakteur von Flightradar24 mit an Bord sein wird.

Spacebike: Schwitzen in Schwerelosigkeit
Das Experiment Spacebike von Forschenden der Deutschen Sporthochschule Köln und der Hochschule Aachen untersucht, inwieweit sich die Ansteuerung von menschlichen Muskeln durch das Gehirn bei einer „normalen“ Bewegung in Schwerelosigkeit verändert. Hierzu fahren Probandinnen und Probanden auf einem stationären Fahrradergometer, dem Spacebike, während die zentrale Nervenaktivität im Gehirn mittels EEG (Elektroenzephalographie) und die daraus resultierende Aktivierung der Muskeln mittels EMG (Elektromyographie) aufgezeichnet werden. Die Analyse der Daten soll zeigen, ob dabei Unterschiede im Vergleich zur Aktivität unter normaler Schwerkraft auftreten und wie die jeweilige Motorik davon beeinflusst wird. Das Forschungsthema ist nicht nur für die Raumfahrt und Exploration interessant, sondern auch für den Rehabilitationsprozess bei Gehirnschädigungen, etwa durch einen Schlaganfall. Constanze Badali, Doktorandin im Projekt bei Prof. Stefan Schneider, Deutsche Sporthochschule Köln: „Der erste Flugtag war sehr aufregend, aber alles hat wunderbar geklappt. Das Radfahren auf dem SpaceBike hat unser Proband gut gemeistert. Wir freuen uns auf den nächsten Flugtag!“

Zero Boil-Off Tank: Die Tankstelle im Orbit
Flugzeuge in der Luft betanken – dies ist bereits seit vielen Jahren mit Hilfe von speziell entwickelten Technologien möglich. Das Auffüllen von Raumfahrzeugen und Satelliten im Weltall konnte hingegen bis heute nicht realisiert werden. Das Forschungsprojekt Zero Boil-Off Tank Experiment – Befüllung und Transfer soll dabei helfen, dies zu ändern. Das Hauptproblem bei der Betankung im Orbit ist, dass die Kapillarkräfte innerhalb des Treibstoff-Tanks, je nach Größe und Beschleunigung, in der Schwerelosigkeit dominieren. Dies nimmt Einfluss auf die Flüssig- und Gasphase des Treibstoffs, wobei nicht sichergestellt werden kann, dass die gewünschte Flüssigphase dann am Auslass des Tanks auftritt oder der Gasauslass flüssigkeitsfrei ist.

Die Betankung im Weltall wäre ein großer Vorteil, da so die Lebensdauer von Satellitenmissionen deutlich verlängert werden könnte. Außerdem benötigen zukünftige Langzeit-Raumfahrtmissionen die Lagerung und den Transfer von Treibstoffen im Weltraum. Im Parabelflug wollen Forschende vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen nun ein Konzept für die Befüllung und den Transfer von Flüssigtreibstoffen in der Schwerelosigkeit testen. Eine erfolgreiche Durchführung ist die Voraussetzung für ein geplantes Experiment auf der Internationalen Raumstation (ISS), das in deutsch-amerikanischer Zusammenarbeit stattfinden soll.

CoolFly: Kühlung für den menschlichen Kreislauf
Der menschliche Körper besitzt die Fähigkeit, den Blutdruck beim Wechsel vom Liegen oder Sitzen in eine aufrechtstehende Position stabil zu halten. Dies wird als Orthostase-Reaktion bezeichnet. Bei starker Beschleunigung oder einer Änderung der Schwerkraftverhältnisse, wie sie etwa Astronautinnen und Astronauten ausgesetzt sind, kommt es häufig zu gesundheitlichen Problemen. Das Experiment CoolFly der Charité Berlin untersucht im Parabelflug-Experiment, inwieweit sich eine leichte Absenkung der Körpertemperatur durch kühlende Bekleidung stabilisierend auf die Orthostase-Reaktion von Testpersonen auswirkt. „Wir sind sehr froh, dass alle unsere Probanden es gut vertragen haben. Nach Aussage unserer Probanden funktioniert die Kühlung hervorragend. Wir sind gespannt auf die Auswertung der Daten“, resümiert Dr. Oliver Opatz nach dem ersten Flugtag.

Gelingt es den Forschenden diesen positiven Effekt nachzuweisen, dann könnte solch eine Kühlkleidung zukünftig in der Raumfahrt zum Einsatz kommen – insbesondere bei Langzeitmissionen zu Mond oder Mars. Interessant wäre diese Methode auch, um auf der Erde in Hitzestressszenarien eingesetzt zu werden. Beispiele hierfür sind etwa Einsätze von Feuerwehrleuten oder auch die Behandlung von Intensiv-Patienten im Krankenhaus, wo eine externe Kühlung positive Auswirkungen auf den Verbrauch von bestimmten Kreislauf-stabilisierenden Medikamenten gezeigt hat.

Der DLR-Parabelflug
Seit 1999 organisiert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR regelmäßig Parabelflüge für biologische, humanphysiologische, physikalische, technologische und materialwissenschaftliche Fragestellungen. Das Forschungsflugzeug, der A310 ZERO-G der französischen Firma Novespace, wird ein- bis zweimal jährlich für wissenschaftliche Kampagnen des DLR, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der französischen Raumfahrtagentur CNES genutzt. Eine DLR-Parabelflugkampagne besteht in der Regel aus drei Flugtagen mit zirka vier Flugstunden, an denen jeweils 31 Parabeln geflogen werden. Während jeder Parabel herrscht für etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit. Insgesamt stehen bei einer Flugkampagne etwa 35 Minuten Schwerelosigkeit – im Wechsel mit normaler und nahezu doppelter Erdbeschleunigung – zur Verfügung, die Forscher für ihre Experimente nutzen können. Bis zu 40 Wissenschaftler können an einem Flug teilnehmen, bei dem sich zwischen zehn und 13 Experimenten an Bord befinden.

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• Parabelflüge

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Quelle: BIH.

15. Februar 2022 – Nicht nur für Brandopfer auf der Erde könnte dies eine wertvolle Alternative zur Eigenhauttransplantation sein: Auch Astronauten und Astronautinnen könnten so fernab von jeder Klinik individuell versorgt werden. Ob der Drucker in der Schwerelosigkeit funktioniert, testen die Forscher*innen auf einem Parabelflug.

Ob Brand- oder Schürfverletzungen: Bei einer Fläche von mehreren Quadratzentimetern sind die Selbstheilungskräfte des Körpers überfordert und es hilft oft nur noch eine Eigenhauttransplantation. Doch sowohl beim Entnehmen als auch beim Verpflanzen stellen sich Probleme, erklärt Professor Georg Duda, der Direktor des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Musculoskeletale Regeneration im BIH und Sprecher des BIH Centrums für Regenerative Therapien (BCRT). „Es treten hierbei leider oft Vernarbungen auf, die sowohl medizinisch als auch kosmetisch weder Arzt noch Patient zufriedenstellen. “Auf der Suche nach einer Alternative stießen die Wissenschaftler*innen um Duda auf die Firma Cellbricks: Das Unternehmen hat einen 3D-Drucker entwickelt, der individuelle Hautpatches verschiedener Größe und Form drucken kann.

Biologische Druckertinte
„Die Druckertinte ist in unserem Fall biologisch“, erklärt Bianca Lemke, Doktorandin bei Professor Duda. „Sie besteht aus einer besonderen Form von Gelatine mit Metacrylatenden, die bei UV-Belichtung aushärtet. Da hinein mischen wir Hautzellen, die idealerweise vom Empfänger selbst stammen. Und mit besonderem technischen Aufwand können wir sogar kleine Röhren hineindrucken, die wir anschließend mit Blutgefäßzellen besiedeln, so dass das Hautpatch sogar Blutgefäße enthält.“ Am Drucker einstellbar sind Form und Größe des erforderlichen Wundverschlusses, je nach Herausforderung dauert der Druck eine oder mehrere Stunden.

„Auf einem Symposium des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) kam die Frage auf, ob man 3D Bioprinting nicht auch für Astronauten nutzen könnte“, erzählt der Diplom-Ingenieur. „Denn der Weg zum Mars ist weit, und auch von der ISS kann man nicht kurzfristig zur Erde zurückkommen, wenn man sich eine größere Verletzung zugezogen hat. Und da wäre so eine individuelle Lösung durchaus praktisch.“ Doch nun stellt sich die Frage, ob so ein 3D-Drucker überhaupt in der Schwerelosigkeit funktioniert. Schwebt die flüssige Tinte nicht davon? Härtet die Gelatine wie geplant aus?

Test beim Parabelflug
Um diese Fragen zu klären, startet Bianca Lemke heute von Paderborn aus zu einem Parabelflug, auf dem der 3D-Drucker getestet werden soll. „Vor Abflug wird es verschiedene Sicherheitschecks geben. Da wir mit Flüssigkeiten drucken und sich diese während der Mikrogravitationsphasen im Flugzeug verteilen könnten, sind natürlich Maßnahmen zur Eindämmung nötig. Die Drucker befinden sich in einem Kasten, der verschiedenen mechanischen Tests und Belastungen standhalten muss. Dementsprechend wird auch das überprüft. Danach wird alles abgepolstert, damit sich keiner der Teilnehmer versehentlich beim Herumschweben im Flugzeug den Kopf stößt. Und dann geht das Ganze ins Flugzeug und wird dort montiert. Bei verschiedenen Funktionstests im Flugzeug wird sicher gestellt, dass auch hier alles funktioniert. Und dann starten wir!“

Während des insgesamt fünfstündigen Fluges werden 31 Parabeln geflogen, das heißt, die Maschine steigt auf einer parabelförmigen Kurve auf, fällt anschließend steil ab und steigt wieder auf. Während des oberen Teils der Parabel kommt es für etwa 20 Sekunden zur Schwerelosigkeit, beim Auf- und Abstieg herrscht kurzzeitig mehrfache Erdanziehungskraft. Um zu überprüfen, wie das Druckergebnis von der Erdanziehungskraft beeinflusst wird, integriert Bianca Lemke Microbeads in die Druckerflüssigkeit: „Diese Microbeads sind kleine fluoreszierende Kügelchen, ungefähr in der Größe von Zellen. Damit untersuchen wir das Sedimentationsverhalten von Zellen während des Fluges. Denn schon auf der Erde haben wir beobachtet, dass die Zellen absinken, wenn die Tinte länger steht. Wir befürchten, dass in den Hypergravitationsphasen alle absinken, aber wir hoffen, dass während der Schwerelosigkeit gar nichts mehr absinkt.“ Professor Georg Duda bleibt am Boden und ist schon gespannt auf die Ergebnisse: „Wir hoffen sehr, dass die Druckergebnisse stabil sind, zumindest während der Schwerelosigkeit. Denn dann könnten wir eines Tages den Astronauten tatsächlich eine personalisierte Wundversorgung anbieten. Auch wenn es bis dahin sicher noch ein weiter Weg ist.“

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: DLR.

22. Dezember 2021 – So plötzlich, wie die (An-)Spannung da ist, so plötzlich ist sie einige Sekunden später auch wieder weg: Sie läuft durch die Arm- und Beinmuskulatur von Matthias Maurer – nicht stark, aber dennoch extrem effektiv. Denn diese leichte Anspannung stimuliert seine sogenannte Skelettmuskulatur und unterstützt den deutschen ESA-Astronauten so beim Training auf der Internationalen Raumstation ISS. Ausgelöst wird die Anspannung durch einen neuen Fitnessanzug für den spezifischen Einsatz in Schwerelosigkeit. „Elektro-Muskel-Stimulation (EMS) ist eine moderne Trainingsmethode, bei der Muskelpartien durch schwache Stromimpulse angespannt werden. Wird diese erhöhte Grundspannung wie in unserer EasyMotion-Technologie-Demonstration mit einem gezielten Muskeltraining kombiniert, kann das den Trainingserfolg deutlich erhöhen. An Bord der ISS verbessert Matthias Maurer auf diese Weise erstmals mit einem stimulierenden EMS-Anzug sein Fitnessprogramm, das aus Laufen, Radfahren und Krafttraining besteht“, erklärt Dr. Christian Rogon, EasyMotion-Projektleiter bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, in deren Verantwortung das Experiment gemeinsam mit der Charité Berlin, der OHB System AG und der EMS GmbH durchgeführt wird. Am 22. Dezember 2021 wurden die ersten Daten von der Raumstation zu den das Experiment betreuenden Wissenschaftlern auf der Erde geschickt.

Ein Anzug für die Wissenschaft und die Freizeit
Doch warum kann Elektro-Muskel-Stimulation eigentlich den Trainingserfolg verbessern? Wir können uns nur fortbewegen, weil Muskeln in Rumpf und Gliedmaßen unserem Körper Stabilität verleihen. Dabei arbeiten sie auf der Erde gegen die Schwerkraft und trainieren sich so selbst. Um Muskelschwund und den dadurch bedingten Knochenabbau in Schwerelosigkeit zu verhindern, trainieren Astronautinnen und Astronauten täglich rund zweieinhalb Stunden an Bord der ISS. Wenn diese bestimmten Muskelpartien zusätzlich angeregt werden, kann der Trainingserfolg fast wie von selbst gesteigert werden. Matthias Maurer trainiert mit dem EMS-Anzug 20 Minuten pro Einheit. Wie kommt der Anzug bei dem deutschen Astronauten an? „Matthias Maurer hat bereits den achten Trainingslauf mit dem Fitnessanzug gemacht. Er nutzt ihn sehr gerne und trägt ihn sogar in seiner Freizeit. Das lässt darauf schließen, dass der Anzug gut funktioniert und er sich darin wohl fühlt“, sagt Christian Rogon. Wohlfühlen ist das eine, eine wirkliche Verbesserung des Trainings das andere. „Wir sind schon sehr auf die Daten gespannt. Sie werden uns zeigen, wie effektiv die EMS-Methode wirklich ist. Trainingsdaten, die wir von Tests auf der Erde haben, lassen darauf schließen, dass wir auch auf der ISS eine Verbesserung des Trainings erzielen werden“, erläutert Prof. Dieter Blottner, wissenschaftlicher Leiter des Projekts am Zentrum für Weltraummedizin der Charité-Universitätsmedizin in Berlin.

Ein Anzug für den Weg in die Tiefen des Weltraums und für die Therapie auf der Erde
Die Forschung, die Matthias Maurer im Rahmen von EasyMotion betreibt, ist nicht nur für seinen persönlichen Trainingsplan gut. Das Projekt zielt auch auf künftige Einsätze im Weltraum sowie auf Einsätze auf der Erde ab. „Auf der ISS haben die Astronauten relativ viel Platz für Trainingsgeräte, weil die Raumstation an sich sehr groß ist. Wollen die Astronautinnen und Astronauten weiter hinaus ins Weltall fliegen – etwa wie im aktuellen Artemis-Programm der NASA vorgesehen zu Mond und Mars – werden auch die Raumschiffe kleiner und der Platz für Trainingsgeräte schrumpft. Wenn der EMS-Anzug das Fitnessprogramm effizienter macht, könnte er auch für solche Reisen ideal geeignet sein“, schildert EMS-Projektleiter Christian Rogon. So soll im Februar 2022 noch ein weiterer EMS-Anzug zur ISS transportiert werden. „Wir hoffen sehr, dass EMS zum Standard im Training der Crew auf der ISS werden kann. Aber auch auf der Erde kann das EasyMotion-Projekt den Menschen helfen – etwa für die Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten gegen Muskel- und Knochenschwund, beim Muskelaufbau in der Rehabilitation oder um den Trainingserfolg im Kraft- und Fitnesssport zu steigern“, verdeutlicht DLR-Projektleiter Rogon.

Über das EasyMotion-Projekt
Die Technologie-Demonstration EasyMotion (EMS-TECH) wird im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn durchgeführt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWi) finanziert. Wissenschaftlich geleitet wird das EMS-Projekt vom Zentrum für Weltraummedizin an der Berliner Charité und vom Europäischen Astronautenzentrum der europäischen Weltraumorganisation ESA technisch begleitet. Das Trainingssystem EasyMotionSkin und die dazugehörige App wurde von der EMS GmbH entwickelt und für die Nutzung im Weltraum angepasst. Der deutsche Raumfahrtkonzern OHB System AG hat das System für die Mission qualifiziert.

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: Charité.

11. November 2021 – Die Projekte beschäftigen sich mit der Überwachung der Körpertemperatur und der Muskeleigenschaften im All, einem verbesserten Training gegen Muskelabbau sowie veränderten Kontakten zwischen Zellen unter Schwerelosigkeit. Die einzelnen Experimente werden durch das nationale Raumfahrtprogramm der deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA koordiniert. Das DLR fördert die Projekte der Charité mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) von insgesamt über 1,5 Millionen Euro.

Am Donnerstagmorgen mitteleuropäischer Zeit hob die SpaceX-Trägerrakete vom Kennedy Space Center ab, dem Weltraumbahnhof der National Aeronautics and Space Administration (NASA) in Florida, USA. Die Mission „Cosmic Kiss“ bringt die vierköpfige Besatzung an Bord einer Crew-Dragon-Raumkapsel zur Internationalen Raumstation ISS, wo sie bis April 2022 bleiben soll. Auch der ESA-Astronaut Dr. Matthias Maurer ist – als 12. Deutscher im All und 4. Deutscher auf der ISS – Teil der Crew, neben drei US-amerikanischen Astronauten der NASA. Für ihn ist es der erste Raumflug, seit April 2020 bereitet er sich auf die Mission vor.

Der 51-jährige Materialwissenschaftler Dr. Maurer hat eine Reihe von Experimenten für den sechsmonatigen Aufenthalt eingeplant. Die deutsche Raumfahrtagentur im DLR ist für die Auswahl und Koordination der Experimente aus Deutschland verantwortlich, die bereits viele Stationen für die Erprobung durchlaufen haben – etwa auf Parabelflügen. Das beim DLR ansässige Columbus-Kontrollzentrum der Europäischen Weltraumorganisation ESA ist für die Planung und Durchführung der Experimente zuständig, die im europäischen Columbus-Modul auf der ISS erfolgen sollen. Unter den über 100 Experimenten, die Dr. Maurer dort durchführen wird, sind 35 mit deutscher Beteiligung. Sie reichen von Grundlagenforschung bis hin zu anwendungsorientierter Forschung in lebens-, natur- und materialwissenschaftlichen Bereichen. Mit an Bord sind auch vier Projekte, an deren Entwicklung die Charité beteiligt ist.

„Wegen der vorherrschenden Schwerelosigkeit bietet uns die ISS einmalige Bedingungen. Hier lassen sich biologische und physikalische Vorgänge weitgehend ohne Störeffekte untersuchen, wie es in keinem Labor auf der Erde möglich wäre. Wir freuen uns über diese Gelegenheit und sind sehr gespannt, wie sich die Projekte bewähren“, sagt Prof. Dr. Hanns-Christian Gunga, stellvertretender Direktor des Instituts für Physiologie der Charité und Sprecher des dort angesiedelten Zentrums für Weltraummedizin und Extreme Umwelten Berlin (ZWMB).

Die Projekte mit Beteiligung der Charité im Einzelnen:
Thermo-Mini
Die Physiologie des menschlichen Körpers ist an die Schwerkraft auf der Erde angepasst, so auch die Regulation der Körpertemperatur. Das Aufrechterhalten einer konstanten Körperkerntemperatur ist in der Schwerelosigkeit gestört, es kommt zu einem dauerhaften Temperaturanstieg – dem sogenannten Weltraumfieber. Damit Astronauten wie Dr. Maurer beim Sport oder bei Außenbordeinsätzen nicht überhitzen und ihre Gesundheit gefährden, wird im Projekt Thermo-Mini die Körperkerntemperatur und Tagesrhythmik durch einen miniaturisierten Thermosensor an einem Stirnband aufgezeichnet. Dieser sogenannte Wärmeflusssensor ermöglicht eine zuverlässige, schnelle und schmerzfreie Temperaturmessung kontinuierlich über einen längeren Zeitraum hinweg.

Die so gewonnenen Daten sollen klären, inwiefern der Mini-Thermosensor für einen Langzeiteinsatz im Weltall geeignet ist. Zukünftig könnten diese Messungen in die Standardüberwachung der Gesundheit von Astronautinnen und Astronauten aufgenommen werden. Aber auch in anderen extremen Arbeitssituationen – etwa in Bergwerken oder bei Feuerwehreinsätzen – könnten sie zum Einsatz kommen.

Myotones
Für die Besatzung der ISS ist ein geeignetes Muskelaufbautraining in der Schwerelosigkeit unabdingbar, um einem Abbau der Muskulatur und einer eingeschränkten körperlichen Leistungsfähigkeit vorzubeugen. Um Anzeichen eines Muskelabbaus nachvollziehen und entgegenwirken zu können, werden im Projekt Myotones die wichtigsten biophysikalischen Eigenschaften des Muskels dokumentiert. Während der gesamten Mission sowie davor und danach werden der Muskeltonus – also die Ruhespannung – sowie die Steifigkeit und Elastizität der ruhenden Muskulatur beim Astronauten kontinuierlich überwacht.

Für die Messungen verwendet der Astronaut das handliche Messgerät MyotonPRO, das etwa die Größe eines Smartphones hat. Mit dessen Hilfe können auf etwa zehn Hautmesspunkten am ganzen Körper die biophysikalischen Messparameter der darunterliegenden Strukturen wie Muskeln, Sehnen und Faszien – durch kurzes Aufsetzen eines kleinen Messfühlers – in Echtzeit ermittelt und gespeichert werden.

EasyMotion
Um das Muskeltraining während der Mission zu unterstützen, trägt der Astronaut für das Projekt EasyMotion während des Trainings auf der ISS einen speziell für die Raumfahrt qualifizierten Trainingsanzug. Durch die integrierten flachen Trocken-Elektroden wird die Muskulatur – durch sogenannte Elektro-Myo-Stimulation (EMS) mit kurzen niederfrequenten Impulsen – zusätzlich zu seinem Routinetraining unwillkürlich stimuliert. Auf diese Weise soll sich der Trainingserfolg in der Vorbereitung, während des Raumflugs sowie danach optimieren und die Trainingszeiten von derzeit etwa 2,5 Stunden pro Tag verkürzen lassen.

Wie die Muskeleigenschaften werden auch die Auswirkungen der EMS auf die Muskulatur im Zusammenhang mit dem gleichzeitig laufenden Myotones-Experiment alle 60 Tage gemessen. Die gesammelten Daten werden zeitnah zu einer Bodenstation der ESA in Toulouse, Frankreich, übermittelt und – zusammen mit dem Europäischen Astronautenzentrum (EAC) der ESA in Köln – durch das Team am ZWMB der Charité ausgewertet.

Cellbox-3
Für die Funktionsfähigkeit der Muskulatur ist der Zellkontakt zwischen Nerven- und Muskelzelle an der sogenannten neuromuskulären Synapse essenziell. Das Projekt NEMUCO/ Cellbox-3 untersucht die strukturellen und funktionellen Veränderungen dieser Zellkontakte. Dabei wird deren Neubildung in Zellkultur erstmalig unter Schwerelosigkeit erforscht.

In einem speziellen vollautomatischen Mikrolabor werden dafür dreidimensionale Zellkulturen von isolierten Nervenzellen zusammen mit jungen Muskelzellen gezüchtet und für mehrere Tage auf der ISS unter kontrollierten Kulturbedingungen gehalten. Die Zellen werden noch in Schwerelosigkeit fixiert und die Proben nach dem Rücktransport zur Erde an der Charité eingehend ausgewertet. Neben mikroskopischen Untersuchungen werden auch Sequenzierungen der RNA und Analysen des Proteoms – also der Gesamtheit der Proteine – der Zellen erfolgen. Die Erkenntnisse aus diesen Experimenten sollen helfen, die molekularen Abläufe bei der Versorgung der Muskeln durch die Nervenzellen besser zu verstehen.

Wieder zurück auf der Erde sollen die Projekte der Charité unter anderem dabei helfen, Rehabilitations- und Trainingsprogramme in Zukunft zu optimieren. „Muskeltonus und -steifigkeit sind wichtige Indikatoren der Muskelgesundheit und nicht zuletzt der körperlichen Fitness und physiologischen Leistungsfähigkeit des menschlichen Körpers – ob im Weltall oder auf der Erde“, sagt Prof. Dr. Dieter Blottner vom Institut für Integrative Neuroanatomie und vom ZWMB der Charité. „Die nichtinvasive und leicht zu handhabende digitale Technologie, die wir für unser Projekt Myotones einsetzen, könnte neben dem Einsatz in der Sportmedizin und Physiotherapie zukünftig Anwendung finden – etwa bei der klinischen Untersuchung von Personen mit Bewegungsstörungen, Skelettmuskelerkrankungen oder -verletzungen. Auf diese Weise könnte die digitale Technologie im klinischen Alltag eine objektive Begutachtung des aktuellen Gesundheitsstatus von Patientinnen und Patienten sowie eine Kontrolle ihres Therapieverlaufs gewährleisten.“

Projektförderung und Partner
Die Experimente im Rahmen der Projekte Thermo-Mini, Myotones, EasyMotion (EMS-TECH) und NEMUCO/ Cellbox-3 werden von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Bonn mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanziert. Die wissenschaftliche Leitung der Projekte übernimmt das Zentrum für Weltraummedizin und Extreme Umwelten Berlin (ZWMB) am Institut für Physiologie der Charité. Thermo-Mini wird durch Prof. Dr. Hanns-Christian Gunga wissenschaftlich geleitet. Der miniaturisierte Sensor wurde von der Firma Dräger GmbH und der Charité entwickelt und von der KORA Industrie-Elektronik GmbH für die Nutzung im Weltraum angepasst. Die Projekte Myotones und EasyMotion werden von Prof. Dr. Dieter Blottner wissenschaftlich geleitet. Die Universität Southampton in Großbritannien unterstützt das Projekt Myotones. Der hierbei miniaturisierte Sensor wurde von der estnischen Firma Myoton AS entwickelt und für die Nutzung im Weltraum angepasst. EasyMotion wird durch das Europäische Astronautenzentrum (EAC) der ESA in Köln begleitet. Das Trainingssystem EasyMotionSkin und die dazugehörige App wurde von der EMS GmbH für die Nutzung im Weltraum entwickelt. Die Firma OHB System AG hat das System für die Mission angepasst. Das Zellexperiment Cellbox-3 im Rahmen von NEMUCO wird durch Dr. Michele Salanova vom Institut für Integrative Neuroanatomie der Charité wissenschaftlich geleitet, während mit SHAPE ein weiteres Zellexperiment unter Leitung der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität in Frankfurt am Main erfolgt. Cellbox-3 wird auf der ISS in den vollautomatischen Mikrolaboren der Firma yuri GmbH durchgeführt.

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• SpaceX Crew-3 / USCV-3 (C210.1/Endurance) auf Falcon 9 (B1067.2)

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Quelle: DLR.

11. November 2021 – Mit „Cosmic Kiss“ wird für ihn ein lang gehegter Wunsch wahr: Der gebürtige Saarländer Dr. Matthias Maurer ist als vierter Deutscher am 10. November 2021 um 21:03 Uhr Ortszeit (11. November 2021, 03:03 Uhr Mitteleuropäischer Zeit, MEZ) zur Internationalen Raumstation ISS aufgebrochen. Der 51-jährige Materialwissenschaftler aus St. Wendel ist seit Juli 2015 Mitglied des Astronautenkorps der Europäischen Weltraumorganisation ESA und wurde am 14. Dezember 2020 für seine erste ISS-Mission nominiert. Matthias Maurer ist zudem der zweite Europäer, der als Missions-Spezialist an Bord einer SpaceX-Dragon-Raumkapsel mit der Seriennummer 210 und dem Namen „Endurance“ (Ausdauer) des kommerziellen NASA-Crew-Programms gemeinsam mit den NASA-Astronauten Raja Chari (Kommandant), Thomas Marshburn (Pilot) und der NASA-Astronautin Kayla Barron (Mission-Spezialistin) zur Raumstation fliegt. Die vierköpfige Besatzung wird in acht Minuten und 48 Sekunden auf Orbitalhöhe und -geschwindigkeit gebracht, um ihre Reise zur Internationalen Raumstation anzutreten. In der Zwischenzeit soll die erste Stufe der Trägerrakete Falcon 9 zur Erde zurückkehren, um wiederverwendet zu werden.

Maurer ist Mitglied der ISS-Expedition 66 und soll voraussichtlich bis April 2022 auf der Raumstation leben und arbeiten. Mehr als 100 internationale Experimente, darunter 36 aus Deutschland, stehen auf seiner Agenda. Die Falcon-9-Rakete startete vom bekannten Launch-Pad 39 A am Kennedy Space Center der NASA auf Merrit Island (Florida). Diese Startrampe nutzte die US-Raumfahrtbehörde bereits in den 1960er-Jahren für ihr „Apollo“-Mondprogramm.

„Wir sind alle sehr ruhig, das ist sicher ein Erfolg des Trainings“, sagte Matthias Maurer wenige Tage vor seinem Start. „Wir sind sehr konzentriert. Wenn wir in der Kapsel sitzen, wird die Aufregung sicher kommen. Ich bin kein Superheld und möchte auch keiner sein, hinter meiner Arbeit stecken viele, viele Leute.“

Das Docking, also die Ankunft an der Raumstation, ist 22 Stunden nach dem Start für den 11. November, 19:10 Uhr Ortszeit (12. November 2021, 01:10 Uhr MEZ) vorgesehen und wird auf NASA-TV übertragen.

Experimente aus Deutschland im Gepäck
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist vielfältig in die Mission eingebunden: Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Sitz in Bonn ist für die Auswahl und Koordination der Experimente und Beiträge deutscher Universitäten und Hochschulen sowie aus der Industrie verantwortlich. Ebenso führen DLR-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler eigene Experimente durch. Das Columbus-Kontrollzentrum der ESA, beheimatet im Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum des DLR im bayerischen Oberpfaffenhofen, ist verantwortlich für die Planung und Durchführung der Experimente, die im europäischen Columbus-Modul auf der Raumstation stattfinden. Von hier aus gehen die Daten der Experimente an die nationalen Nutzerkontrollzentren und von dort aus zu den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und den beteiligten Partnern aus der Industrie.

„Die Internationale Raumstation ISS ist ein Ort, an dem sich einzigartige Möglichkeiten für die Wissenschaft ergeben. Astronauten leben und arbeiten auf der Raumstation unter den Bedingungen der Mikrogravitation“, erläutert die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, „für Matthias Maurer ist jetzt für sechs Monate die Raumstation sein Zuhause. Er wird einen großen Teil seiner Zeit wissenschaftlichen Arbeiten in den Bereichen Humanphysiologie, Physik, Biologie, Materialwissenschaften und Strahlenschutz widmen. Allein 36 seiner Experimente kommen aus Deutschland. Dazu gehören auch Technologien, die die Art und Weise, wie wir auf der Erde leben und arbeiten, verändern werden.“

Die deutschen Experimente der „Cosmic Kiss“-Mission umfassen Grundlagenforschung wie anwendungsorientierte Wissenschaft und Technologietests aus den Bereichen Lebens- und Materialwissenschaften, Physik, Medizin, Künstliche Intelligenz oder Erdbeobachtung. Zudem steht ein umfangreiches Nachwuchs-Programm für Schülerinnen und Schüler auf der Agenda von Matthias Maurer.

„Matthias Maurer ist der zwölfte deutsche Astronaut im Weltraum und einer von aktuell sieben aktiven Astronautinnen und Astronauten der ESA. Er plant mehr als 100 wissenschaftliche Versuche, spannend sind sie alle und im Fokus steht vor allem auch der Nutzen und die Wertschöpfung durch die Experimente für uns Menschen auf der Erde. Im Zeichen der Pandemie geht es zum Beispiel darum, in der Schwerelosigkeit Oberflächen zu entwickeln, die das Wachstum von Keimen und Bakterien hemmen. Wenn wir das hinbekommen, sehe ich Anwendungen in Krankenhäusern und im öffentlichen Raum. In einem weiteren Experiment geht es um einen Sportanzug, der mit Elektroschocks Muskel- und Knochenschwund reduziert. So ein Anzug ist für Astronauten wichtig, kann aber auch vielen Millionen Menschen auf der Erde helfen, beispielsweise in der Physiotherapie“, betont Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstandsmitglied und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die im Auftrag der Bundesregierung die deutschen ESA-Beiträge verantwortet. Deutschland ist innerhalb der ESA der größte Beitragszahler für das ISS-Programm.

Forschung im All für die Menschen auf der Erde
Im Gepäck von „Crew-3“ sind auch weitere „Cosmic Kiss“-Experimente aus Deutschland: Das Experiment DOSIS 3D misst bereits seit 2012 die Strahlung innerhalb und außerhalb der ISS. Für DOSIS 3D MINI wird nun zusätzlich zu den Detektoren, die im europäischen Columbus-Labor montiert sind, ein zweiter Satz von Detektoren mit Matthias Maurer zur ISS fliegen. Diese neuen Detektoren sollen von Maurer u.a. auch im russischen Teil der ISS installiert werden, insgesamt kann dann an 21 Stellen auf der ISS gemessen werden und ein 3D-Modell der Strahlenbelastung auf der Raumstation generiert werden. Die wissenschaftliche Leitung von DOSIS 3D liegt beim DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln.

Bei „Easy Motion“ – EMS geht es um einen speziellen Anzug, der die Astronauten auf der ISS beim täglichen Sporttraining unterstützen soll: Denn wir können uns nur fortbewegen, weil Muskeln in Rumpf und Gliedmaßen unserem Körper Stabilität verleihen. Dabei arbeiten sie auf der Erde gegen die Schwerkraft und trainieren sich so selbst. Um Muskelschwund und den dadurch bedingten Knochenabbau in Schwerelosigkeit zu verhindern, ist Elektro-Muskel-Stimulation (EMS) eine moderne Trainingsmethode, bei der Muskelpartien durch schwache Stromimpulse angespannt werden. Wird diese erhöhte Grundspannung mit einem gezielten Muskeltraining kombiniert, kann das den Erfolg deutlich erhöhen. An Bord der ISS wird Matthias Maurer erstmals mit einem speziellen EMS-Anzug sein Trainingsprogramm verbessern, das aus Laufen, Radfahren und Krafttraining besteht. Die wissenschaftliche Leitung des Projekts liegt bei der Charité Universitätsmedizin Berlin.

Ebenfalls aus der Humanphysiologie stammt das Experiment „Thermo-Mini“, das zum großen Teil bereits mit SpaceX-23 am 29. August 2021 zur Raumstation gebracht worden ist: Ein längerer Aufenthalt im Weltall führt zu einem dauerhaften Anstieg der Körperkerntemperatur. Dieses „Space Fever“ ist eine potenzielle Gefahr für die Gesundheit der Astronautinnen und Astronauten – vor allem bei Sport und Außenbordeinsätzen. Mit Thermo-Mini werden bei Matthias Maurer die Körperkerntemperatur und zirkadiane Rhythmik durch einen miniaturisierten Thermosensor nicht-invasiv an der Stirn aufgezeichnet. Die gewonnen Daten sollen Erkenntnislücken schließen und vor allem beweisen, dass der Mini-Thermosensor für den Langzeiteinsatz im Weltraum geeignet ist. Auf der Erde kann der Minisensor in extremen Umgebungen wie in Bergwerken und bei Feuerwehreinsätzen aber auch im Krankenhaus angewendet werden. Thermo-Mini wird im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) organisiert. Wissenschaftlich geleitet wird das Projekt vom Zentrum für Weltraummedizin an der Berliner Charité. Der miniaturisierte Sensor, kommerziell von Dräger GmbH erhältlich, wurde von der KORA Industrie-Elektronik GmbH für die Nutzung im Weltraum angepasst. Matthias Maurer trägt bei seinem Flug zur ISS das Stirnband von Thermo-Mini.

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• SpaceX Crew-3 / USCV-3 (C210.1/Endurance) auf Falcon 9 (B1067.2)

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