Europas Labor für die Grenzen des menschlichen Körpers

Als Alexander Gerst im Dezember 2018 nach 197 Tagen auf der Internationalen Raumstation zur Erde zurückkehrte, hatte sein Körper bereits begonnen, die Geschichte der Langzeit-Raumfahrt zu erzählen. Seine Knochen hatten sich ausgedünnt. Seine Muskeln hatten sich abgebaut. Sein Herz-Kreislauf-System brauchte Wochen, um sich wieder an das aufrechte Stehen anzupassen. Für das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt war Gerst nicht nur ein Nationalheld, der aus dem Orbit zurückkehrte. Er war ein Datensatz, einer der am gründlichsten überwachten europäischen Astronauten der Geschichte, und sein Körper trug Informationen in sich, die Forscher in Köln über Jahre hinweg auswerten würden.

Europas Beitrag zum Verständnis dessen, was der Weltraum mit dem menschlichen Körper macht, reicht tiefer, als die öffentliche Wahrnehmung vermuten lässt. Während die NASA die Schlagzeilen dominiert und SpaceX die sozialen Medien, hat eine Gruppe von Forschungseinrichtungen in Deutschland, Österreich und der Schweiz still und stetig das wissenschaftliche Fundament aufgebaut, auf dem jede glaubwürdige Marsmission ruhen muss. Im Zentrum dieser Arbeit steht eine Einrichtung in Köln, die überhaupt nicht wie ein Raumschiff aussieht, aber als eines der wichtigsten raumfahrtmedizinischen Labore der Welt fungiert.

Der Bunker in Köln

Das :envihab des DLR ist seit 2013 in Betrieb und umfasst 3.500 Quadratmeter Forschungsfläche auf dem Gelände des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Köln-Porz. Der Name verbindet "Environment" und "Habitat", und das Gebäude wurde für einen einzigen Zweck entworfen: zu untersuchen, was extreme Umgebungen unter kontrollierten Bedingungen mit dem menschlichen Körper machen.

Die Einrichtung enthält eine Kurzarm-Humanzentrifuge, die bis zu 6g erzeugen kann, Bettruhe-Stationen, in denen Probanden Wochen in einer 6-Grad-Kopftieflage verbringen, um die Flüssigkeitsverschiebungen der Schwerelosigkeit zu simulieren, eine Druckkammersuite zur Nachbildung von Höhen- und Atmosphärenbedingungen sowie Labore zur Überwachung von allem, von Knochenstoffwechselmarkern bis hin zur kognitiven Leistungsfähigkeit unter Schlafentzug.

Kopftieflage-Bettruhestudien sind die Signaturmethode des :envihab. Probanden verbringen 30, 60 oder sogar 90 Tage in einem geneigten Bett, stehen nie auf, setzen sich nie aufrecht hin. Die Position treibt Körperflüssigkeiten zum Kopf und entlastet Wirbelsäule und Beine, wodurch physiologische Bedingungen entstehen, die viele Effekte der Schwerelosigkeit annähern, ohne die Erde zu verlassen. Es ist unspektakulär, körperlich anspruchsvoll und wissenschaftlich ergiebig.

Die AGBRESA-Studie, 2019 im :envihab abgeschlossen, war ein Meilenstein. Gemeinsam finanziert von DLR, ESA und NASA, testete sie, ob intermittierende künstliche Schwerkraft durch die Kurzarmzentrifuge dem Abbau entgegenwirken kann, den 60 Tage Bettruhe verursachen. Die Probanden wurden in Gruppen aufgeteilt, die entweder tägliche Zentrifugensitzungen erhielten oder durchgehend im Bett blieben. Die Ergebnisse zeigten, dass 30 Minuten Zentrifugenbelastung pro Tag den Muskel- und Herz-Kreislauf-Abbau teilweise abmildern konnten, obwohl der Effekt auf den Knochenverlust weniger eindeutig war.

Das hat direkte Relevanz für die Planung von Marsmissionen. Wenn intermittierende Zentrifugensitzungen den Abbau verlangsamen können, wird eine rotierende Sektion in einem Mars-Transferraumschiff mehr als ein theoretisches Konzept. Sie wird zu einer datengestützten Empfehlung. Und diese Daten stammen aus Köln, nicht aus Houston.

Alexander Gerst: Der DACH-Astronaut als Forschungsobjekt

Gersts zwei ISS-Missionen, die Blue-Dot-Mission 2014 (165 Tage) und die Horizons-Mission 2018 (197 Tage), machten ihn zum erfahrensten deutschen Astronauten in Bezug auf die kumulierte Zeit im All. Aber sein wissenschaftlicher Wert geht über die Dauer hinaus.

Beide Missionen umfassten ein umfangreiches biomedizinisches Monitoring, koordiniert über das Europäische Astronautenzentrum der ESA, ebenfalls in Köln ansässig. Gerst nahm an Experimenten teil, die Knochenstoffwechsel, kardiovaskuläre Anpassung, neurokognitive Leistung und Immunfunktion verfolgten. Seine Horizons-Mission beinhaltete das Myotones-Experiment, das ein Gerät verwendete, das teilweise von österreichischen Forschern an der Medizinischen Universität Graz entwickelt wurde, um Muskeltonus, Steifigkeit und Elastizität während des Raumflugs nicht-invasiv zu messen.

Die Myotones-Daten lieferten einige der ersten Messungen während des Fluges darüber, wie sich die mechanischen Eigenschaften der Muskeln im Verlauf einer Langzeitmission verändern. Frühere Studien stützten sich auf Vergleiche vor und nach dem Flug und verpassten den Verlauf der Veränderung während der Mission selbst. Diesen Verlauf zu verstehen ist entscheidend für die Entwicklung von Gegenmaßnahmen, die zum richtigen Zeitpunkt eingreifen, anstatt nur den Schaden nach der Landung zu messen.

Gersts medizinische Daten fließen in die breitere Longitudinalstudie zur Astronautengesundheit der ESA ein, die europäische Astronauten über ihre gesamte Karriere verfolgt. Diese longitudinale Perspektive unterscheidet die europäische Raumfahrtmedizin von kürzeren Studien. Die Frage ist nicht nur, was sechs Monate im All mit einem Körper machen, sondern wie der Körper fünf, zehn und zwanzig Jahre später aussieht.

Die Raumfahrtmedizin-Architektur der ESA

Die Europäische Weltraumorganisation betreibt ein verteiltes Forschungsnetzwerk für Raumfahrtmedizin, das Institutionen im gesamten DACH-Raum und darüber hinaus verbindet. Das Europäische Astronautenzentrum in Köln dient als operativer Knotenpunkt und übernimmt Astronautenauswahl, Training und medizinische Betreuung. Die Forschung verteilt sich auf Institutionen der Mitgliedstaaten mit spezifischen Kompetenzen.

Das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln ist die Ankerinstitution, beherbergt das :envihab und führt die Bettruhe-Analogprogramme durch. Die Medizinische Universität Graz steuert Expertise in Muskelphysiologie und Biomechanik bei. Das Schweizerische Institut für Bioinformatik und die Universität Zürich haben an der Analyse von Raumfahrt-Omics-Daten mitgewirkt, darunter Beiträge zur Auswertungspipeline der NASA-Zwillingsstudie.

Das SciSpacE-Programm der ESA finanziert Forschung zu Lebenswissenschaften im Weltraum in den Mitgliedstaaten. Zwischen 2020 und 2025 förderte SciSpacE über 100 Projekte zur Physiologie der bemannten Raumfahrt, viele davon mit direkter Relevanz für Missionen von Marsdauer. Das erklärte Ziel des Programms: Vorbereitung auf Explorationsmissionen jenseits des niedrigen Erdorbits.

In einem Bereich war die europäische Forschung besonders einflussreich: der Strahlenbiologie. Das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt betreibt eine der wenigen Einrichtungen weltweit, die galaktische kosmische Strahlung mit Schwerionenstrahlen simulieren kann. Forscher am GSI, jahrelang unter der Leitung von Marco Durante, haben grundlegende Arbeiten zu den biologischen Auswirkungen von Schwerionenstrahlung produziert, jener Art von Strahlung, die während interplanetarer Reisen am schwierigsten abzuschirmen ist. Ihre Krebsrisikomodelle, veröffentlicht unter anderem in Lancet Oncology, gehören zu den Standardreferenzen, die alle Weltraumagenturen bei der Planung von Tiefraummissionen nutzen.

Das Strahlenproblem aus europäischer Sicht

Die europäische Perspektive auf Weltraumstrahlung fügt dem globalen Bild ein eigenständiges Element hinzu. Während sich die NASA auf zulässige Expositionsgrenzen konzentriert, die an das individuelle Karriererisiko geknüpft sind, verfolgt die ESA einen etwas konservativeren Ansatz, der europäische Regulierungstraditionen beim beruflichen Strahlenschutz widerspiegelt.

Die Strahlenschutzrichtlinien der ESA für Astronauten setzen eine Karrieregrenze von 1 Sievert, unabhängig von Alter oder Geschlecht. Die NASA-Grenzen variieren nach diesen Faktoren, was einen anderen philosophischen Ansatz zum akzeptablen Risiko widerspiegelt. Bei einer Mars-Hin-und-Rückflug-Strahlenbelastung von etwa 0,66 Sievert allein während des Transits bedeutet die ESA-Grenze, dass ein europäischer Astronaut mit einer einzigen Mission rund zwei Drittel seines Karrierelimits verbrauchen würde, Oberflächenexposition nicht eingerechnet.

Das ist keine akademische Unterscheidung. Sie bestimmt, wer für eine Marscrew ausgewählt werden kann, wie viele Missionen ein Astronaut zuvor fliegen darf und ob eine Rückreise überhaupt innerhalb der Karrieregrenzen möglich ist. Ein europäischer Astronaut, der bereits eine sechsmonatige ISS-Mission absolviert hat und dabei vielleicht 100 Millisievert akkumulierte, hätte weniger Spielraum für eine Marsmission als ein Erstflieger.

Das MATROSHKA-Experiment, das von 2004 bis 2009 an der Außen- und Innenseite der ISS geflogen wurde, war ein europäisch geführtes Projekt, das einige der detailliertesten Messungen der Strahlendosisverteilung über einen simulierten menschlichen Körper im niedrigen Erdorbit lieferte. Das Experiment nutzte einen Phantom-Menschentorso, ausgestattet mit Hunderten passiver und aktiver Strahlungsdetektoren, und kartierte, wie verschiedene Organe je nach ihrer Tiefe im Körper und der durch die Raumschiffstruktur gebotenen Abschirmung unterschiedliche Dosen erhalten. Diese organspezifische Dosiskartierung ist unverzichtbar für eine präzise Krebsrisikomodellierung und fließt heute standardmäßig in Strahlungsbewertungen für Marsmissionen ein.

Bettruhe als Mars-Generalprobe

Die Bettruhestudien im :envihab stellen etwas Ungewöhnliches in der raumfahrtmedizinischen Landschaft dar: ein bodengestütztes Analogverfahren, das Daten produziert, die direkt in die Missionsplanung übertragbar sind. Während Raumfahrtagenturen verschiedene Analogprogramme betreiben, von Unterwasserhabitaten bis zu Wüstensimulationen, ist Bettruhe die einzige Methode, die die physiologischen Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf das muskuloskelettale und kardiovaskuläre System zuverlässig reproduziert.

Das DLR führt seit über drei Jahrzehnten Bettruhestudien durch und hat dabei einen Datensatz aufgebaut, der Hunderte von Probanden umfasst. Die Studien haben sich von einfacher Beobachtung des Abbaus hin zur aktiven Testung von Gegenmaßnahmen entwickelt. Die AGBRESA-Zentrifugenstudie war ein Beispiel. Andere testeten Ernährungsinterventionen, Trainingsprotokolle und Kombinationsansätze.

Eine 2024 im :envihab abgeschlossene Studie, die Medium-Duration Nutrition and Vibration Exercise-Studie, untersuchte, ob Ganzkörper-Vibrationstraining in Kombination mit optimierter Proteinzufuhr Knochen und Muskeln während 60 Tagen Bettruhe erhalten kann. Der Ansatz ist für Marsmissionen attraktiv, weil Vibrationsplattformen mechanisch einfach, leicht und weniger zeitaufwendig für die Crew sind als traditionelles Widerstandstraining.

Die Ergebnisse dieser Studien fließen in die Roadmap der ESA für bemannte Raumfahrt und Exploration ein, die den Mars als Planungshorizont behandelt, obwohl derzeit keine europäische bemannte Marsmission finanziert ist. Die Position ist pragmatisch: Bis eine bemannte Marsmission politisch und finanziell umsetzbar wird, müssen die medizinischen Daten bereitstehen. Europa hat vor, sie zu liefern.

Beiträge aus Österreich und der Schweiz

Die raumfahrtmedizinische Forschung im DACH-Raum reicht über Deutschland hinaus. Österreichs Beitrag ist zwar kleiner im Umfang, aber in bestimmten Nischen überproportional einflussreich.

Das Österreichische Weltraumforum betreibt das AMADEE-Mars-Analogprogramm, das Feldsimulationen von Mars-Oberflächenoperationen in Wüstenumgebungen durchführt. AMADEE-Missionen im Oman (2018) und in der israelischen Negev-Wüste (2021) umfassten biomedizinische Überwachungsprotokolle, die in Zusammenarbeit mit der Medizinischen Universität Innsbruck und der Medizinischen Universität Graz entwickelt wurden. Diese Analogmissionen testen nicht nur Technologie, sondern den menschlichen Faktor: wie Crews unter realistischen operativen Bedingungen physiologisch und psychologisch funktionieren.

Das Myotones-Instrument, das Gerst auf der ISS nutzte, steht für eine breitere österreichische Kompetenz in der Miniaturisierung medizinischer Geräte für die Raumfahrt. Kompakte, nicht-invasive Diagnosewerkzeuge sind unverzichtbar für Marsmissionen, bei denen die Crew ihren eigenen Gesundheitszustand ohne Zugang zu Bildgebungsgeräten in Krankenhausqualität überwachen muss.

Die Schweiz steuert ihren Beitrag vor allem über ihren starken Sektor für computergestützte Biologie bei. Der Space Hub der Universität Zürich, gegründet 2017, koordiniert weltraumbezogene Forschung an Schweizer Institutionen. Schweizer Forscher haben zu Multi-Omics-Analysen von Raumfahrtdaten beigetragen und ihre Bioinformatik-Expertise auf die enormen Datensätze angewandt, die Experimente wie die NASA-Zwillingsstudie erzeugt haben.

Das Swiss Space Center an der EPFL in Lausanne hat an miniaturisierten Strahlenmesssystemen gearbeitet und Dosimeter entwickelt, die kompakt genug sind, um in Astronautenkleidung integriert zu werden und so eine kontinuierliche persönliche Dosisüberwachung während Tiefraummissionen zu ermöglichen.

Was Europa weiß, was andere nicht wissen

Das raumfahrtmedizinische Ökosystem im DACH-Raum nimmt eine Position ein, die sowohl stark als auch strukturell verwundbar ist. Die Forschungsqualität ist hoch. Das Bettruhe-Analogprogramm ist wohl das beste der Welt. Die strahlenbiologischen Fähigkeiten am GSI Darmstadt sind einzigartig. Die longitudinalen Gesundheitsdaten der Astronauten wachsen.

Aber Europa hat kein eigenständiges bemanntes Raumfahrtprogramm. Europäische Astronauten fliegen auf Fahrzeugen der NASA oder von SpaceX. Europäische raumfahrtmedizinische Forschung ist auf den Zugang zur ISS angewiesen, deren Deorbitierung für etwa 2030 geplant ist, und auf Partnerschaften mit Agenturen, die die Missionsparameter festlegen.

Das schafft ein Paradox. Europa erzeugt entscheidendes medizinisches Wissen für Marsmissionen, hat aber nicht den politischen und finanziellen Rahmen, um eine solche Mission anzuführen. Die Daten, die im :envihab, am GSI und an Partnerinstitutionen produziert werden, sind unverzichtbarer Input für jeden glaubwürdigen Gesundheitsplan einer Marscrew, egal ob die Mission unter der Flagge der NASA, dem Banner von SpaceX oder eines künftigen internationalen Konsortiums fliegt.

Für DACH-Leser ist die Relevanz unmittelbar. Die Forscher, die in Köln, Darmstadt, Graz und Zürich arbeiten, beschäftigen sich nicht mit abstrakten Problemen. Sie ermitteln die biologischen Grenzen, innerhalb derer jede bemannte Marsmission operieren muss. Wenn sich diese Grenzen als zu eng erweisen, fliegt die Mission nicht, egal wie leistungsfähig die Rakete ist. Und wenn sie sich als weit genug erweisen, dann auch deshalb, weil eine Kurzarmzentrifuge in einem Gebäude neben dem Flughafen Köln/Bonn geholfen hat, die Antwort zu finden.