Mission to Mars

Unberechenbarer Faktor Mensch bleibt die Schwachstelle

Deutsche Raumfahrtmediziner: Körperliche und seelische Belastungen und Risiken für Astronauten sind bei bemannter Mars-Expedition beträchtlich.

Im Auftrag der europäischen Weltraumagentur ESA hat das Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin des DLR gemeinsam mit europäischen Partnern die Humex-Studie durchgeführt. Im Rahmen dieser Forschungsarbeiten wurden medizinische Fragestellungen in Vorbereitung eines bemannten Marsfluges, der insgesamt (durchschnittlich) zwei Jahre dauern würde, untersucht. Just über dieses Thema wurde jüngst u.a. auch auf dem Kongress Medizin und Mobilität referiert und teils kontrovers diskutiert. Ungeachtet einiger Differenzen sind sich die Forscher zumindest darin einig, dass eine Expedition zum Roten Planeten alles andere als ein Zuckerschlecken für die Raumfahrer sein wird. Nicht zuletzt für den DLR-Weltraum-Mediziner Prof. Dr. med. Rupert Gerzer ist der Faktor Mensch eindeutig die Schwachstelle

Der Rote Planet muss sich noch ein wenig gedulden. Bis ihm die ersten echten Marsmenschen die Aufwartung machen, bis erstmals Abgesandte des Homo sapiens sapiens im fremdartigen, rötlichen Sand per pedes waten, werden garantiert noch viele Marsjahre durchs Sonnensystem ziehen. Vorerst scheint der science-fiction-verklärte bemannte Trip zum vierten Planeten des Sonnensystems reines Wunschdenken. Vorerst sind die Hürden, die zu überspringen sind, schlichtweg noch zu hoch.

Weltraummediziner sind gefordert

Wann immer auch die erste bemannte Expedition zum Roten Planeten aufbrechen wird, ob sie nun - wie von der NASA angedacht - tatsächlich im Jahr 2019, wenn sich die Mondlandung zum fünfzigsten Male jährt, eine neue Seite im Buch der Raumfahrtgeschichte aufschlagen oder erst einige Jahre später Geschichte schreiben wird: Sicher ist nur, dass ein derartiges Mammut-Projekt insbesondere die Weltraummediziner aufs Äußerste fordern wird. Denn nicht allein fehlende finanzielle Mittel, konkurrierende Baupläne (Raumschiffe/Basis-Module) oder Missions-Konzepte (Expeditionsablauf) stehen dem marsianen Abenteuer im Weg. Auf dem langen Weg zum Nachbarplaneten erweist sich vielmehr der Mensch selbst als das größte Hindernis.

Während im Vorfeld technische Pannen und potenzielle Probleme mit dem Raumschiff und dem Equipment bestens simuliert werden können, bleiben trotz einigen beachtenswerten Experimenten mit den Mars-Analog Stationen MDRS und FMARS (und anderen), für die nebenher bemerkt die deutsche Sektion der exquisiten "Mars Society" noch Freiwillige sucht, die unabwägbaren physiologischen und psychologische Reaktionen der Astronauten, die letzten Endes über den Erfolg oder den Misserfolg einer bemannten Forschungsexpedition entscheiden, die Achillesferse schlechthin. Keiner weiß, wie die Raumfahrer im Ernstfall die Schwerelosigkeit mit all ihren Folgen verarbeiten.

Schon seit geraumer Zeit rätseln Mediziner, Psychologen und Raumfahrtexperten darüber, ob Raumfahrer eine solche mehrjährige Tortur und Strapaze körperlich und seelisch überhaupt unbeschadet überstehen können, inwieweit die Besatzung die anfallenden Stressfaktoren bewältigen kann und inwiefern sich die unkalkulierbaren Langzeitfolgen auf die Crew auswirken werden. In der Humex-Studie hat das Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin des DLR gemeinsam mit europäischen Partnern die Risiken für Gesundheit und Leistungsfähigkeit des Menschen bei einer Marsmission geprüft und der ESA in einer "Roadmap" notwendige Schritte zur Verwirklichung dieses Zieles vorgeschlagen. "Diese 'HUMEX-Roadmap' wird es der ESA ermöglichen, sich an einem künftigen internationalen Gemeinschaftsprojekt einer bemannten Marsmission als kompetenter Partner maßgeblich zu beteiligen", sagt Frau Dr. Gerda Horneck, die sich seit vielen Jahren als Leiterin des Arbeitsschwerpunktes Strahlenbiologie am DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin forscht.

"Puffy Face" und "Spider Legs"

Prof. Dr. med. Rupert Gerzer, der das Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln leitet und an dem Kongresses "Medizin und Mobilität" teilgenommen hat, arbeitet mit seinem Team und anderen Forschergruppen der ESA schon seit Jahren an Lösungsmöglichkeiten für eine bemannte Mars-Mission. Derzeit fokussieren sich die Wissenschaftler auf fünf Hauptproblemfelder.

Punkt Nummer Eins ist fraglos die Schwerelosigkeit. Auf einem mindestens zwei Jahre währenden Flug werden Knochen, Muskeln, Kreislauf dekonditioniert,

betont Prof. Gerzer.

Eines der größten Probleme, dem sich die Raumfahrtmediziner weltweit gegenüber sehen, ist die Tatsache, dass sich der menschliche Körper an die Schwerelosigkeit sehr schnell gewöhnt und anpasst. Jeder Astronaut, der eine Zeitlang im Orbit war, hat es am eigenen Leib erlebt. Die körpereigene Flüssigkeit wird nicht mehr durch die Schwerkraft nach unten gezogen. Die Folge: Etwa zwei Liter verteilen sich aus den Beinen in die obere Körperhälfte - mit dem Effekt, dass das Gesicht aufgedunsen wirkt ("Puffy Face"). Die Schleimhäute schwellen an - im Gegenzug werden die Beine schlank ("Spider Legs"). Zwar ist die akute Phase der Weltraumkrankheit, die bei mindestens zwei Drittel der Astronauten mit einem Gefühl der Übelkeit einhergeht und bei etwa einem Drittel zu Erbrechen führt, nach zwei bis drei Tagen überstanden. "Oft kommen dann aber Rückenschmerzen hinzu", erklärt Prof. Gerzer. "Die Wirbelsäule dehnt sich um bis zu sieben Zentimeter aus, man wächst quasi, und dies wiederum führt zu Schonhaltung und zu manchmal heftigen Rückenschmerzen. Hat man auch diese überwunden und sich daran gewöhnt, sich völlig anders zu bewegen als unter Schwerkraftbedingungen, dann fühlt man sich in der Regel in der Schwerelosigkeit sehr wohl."

Doch die schwerelose Leichtigkeit fordert ihren Preis. "Zunächst werden Kreislaufreflexe wie der Baroreflex nicht mehr benötigt - man muss ja nie mehr aufstehen - und dekonditionieren. Knochen und Haltemuskeln werden fortan nur wenig belastet und ihr Abbau beginnt - auch die Gefahr von Nierensteinbildung etwa steigt an", konstatiert Gerzer.

Bei alledem nehmen bei den Astronauten ferner Hunger und Durst spürbar ab, was in erster Linie auf vermindertes Geschmacks- und Geruchsempfinden zurückzuführen ist - mit der Folge, dass die Astronauten etliche Kilogramm Gewicht verlieren.

Mikroben: lebendes Inventar im Raumschiff

Dass physiologische Veränderungen auf das Immunsystem der Astronauten gravierend einwirken, fanden unlängst Wissenschaftler des Johnson Space Centers in Houston während einer Testreihe an Shuttle-Astronauten heraus. Ihre Analysen ergaben, dass in dem Speichel der Raumfahrer der Epstein-Barr-Virus im Gegensatz zu "irdischen" Testpersonen um das vierzigfache höher konzentriert war. Dieser eigentlich ungefährliche Virustyp, der bei vielen Menschen in den weißen Blutkörperchen sitzt, wird nur in bestimmten Stresssituationen aktiv. Für Marsreisende könnte er jedoch zum ernsthaften Problem "mutieren".

Was generell für Astronauten gilt, dürfte auf Mars-Reisende besonders zutreffen. Bekannt ist, dass Astronauten aus vielerlei Gründen unter riesigem Stress leiden und daher für Infektionen besonders anfällig sind. Trotz aller hygienischen Vorsichtsmaßnahmen liegt es in der Natur der Raumfahrt, dass auch Viren und andere Erreger in Raumschiffen zum lebenden Inventar avancieren. Im schwerelosen Milieu und auf engstem Raum fühlen sich die Mikroben pudelwohl, können sie doch auf diese Weise die geschwächten Immunsysteme der Raumfahrer besonders leicht überlisten. "In der Schwerelosigkeit fährt das Immunsystem etwas weiter runter. Deshalb können hier bestimmte Infektionskrankheiten noch schwerer verlaufen als auf der Erde", erklärt Prof. Gerzer. "Fatal ist, dass an Bord eines Raumschiffs zum Beispiel Bakterien leichter eine stabile Bakterienwand aufbauen und sich so schneller vermehren können. Während das menschliche Immunsystem runterfährt, steigt die Aggressivität von Keimen".

Langfristige Folgen kaum absehbar

Fakt ist: Bislang lässt sich nicht abschätzen, inwieweit ein langjähriger All-Aufenthalt Körper und Psyche der Astronauten verändert. Von den Shuttle- und MIR-Aufenthalten ist zwar bekannt, dass selbst robuste Astronauten auf die scheinbare Leichtigkeit der Schwerelosigkeit kurzfristig mit Gesichtsschwellungen oder Störungen des Gleichgewichts und Übelkeit reagieren. Langfristig hingegen dürften die Folgen aber weitaus gravierender sein. Sie fallen besonders ins Gewicht, weil eine Reise zum Mars mit einem chemischen Antrieb nach dem derzeit offiziellen NASA-Reference-Plan bis zu 900 Tagen dauern kann. Zum Mars, dessen Entfernung zur Erde je nach Umlaufbahn zwischen 56,8 und 399,4 Millionen Kilometern beträgt, führen mehrere Routen, die sich durch Länge, Reisezeit und Energieaufwand unterscheiden. Allerdings eröffnet die Konstellation Erde-Mars nur alle 26 Monate ein Startfenster. Daher sind für Hin- und Rückflug jeweils sechs Monate und für den Marsaufenthalt ganze 500 Tage eingeplant.

Die Astronauten müssten demnach insgesamt ein Jahr Schwerelosigkeit und nahezu 18 Monate marsiane Gravitation (ein Drittel der Erde) schadlos überstehen. Somit wird der Kampf gegen Gleichgewichts- und Appetitstörungen sowie Knochen- und Muskelschwund den Tagesablauf an Bord bestimmen. Dass trotz intensivstem Training die Muskeln und Knochen der Raumfahrer peu à peu degenerieren, ist hinlänglich bekannt. Selbst das härteste Fitnessprogramm vermag nicht den Kalziumverlust in den Knochen, der bis zu 15 Prozent beträgt, und den Muskelabbau vollständig zu bremsen. "Beim Kalziumverlust haben wir noch keine Lösung gefunden. Zurzeit wird überlegt, ob man nicht doch in dem Raumschiff eine kleine Zentrifuge einbaut", so Gerzer.

Noch gefährlicher für Leib und Leben der Astronauten ist aber die auf die Besatzung permanent niedergehende hochenergetische Strahlung: die kosmische Strahlung und jene, die infolge zahlreicher Sonneneruptionen niederprasselt. "Außerhalb des Erdmagnetfeld sind die Astronauten ungeschützter Weltraumstrahlung ausgesetzt", verdeutlicht Prof. Gerzer.

Hierbei sind die Sonneneruptionen besonders gefährlich. Diese Problematik war auf dem Kongress ein großes Thema. Hier ging es auch um Fragen wie: Wie schützen wir die Astronauten? Wie muss die Ernährung aussehen, wie müssen Medikamente zur Prophylaxe beschaffen sein, damit die Astronauten nicht erkranken.

Menschliche Psyche - unkalkulierbare Achillesferse

Ein weiteres, recht komplexes Problemfeld, worüber sich die Weltraummediziner schon seit geraumer Zeit den Kopf zerbrechen, hängt mit den zu erwartenden psychologischen Schwierigkeiten zusammen, die bei einer langjährigen Mars-Expedition das Zusammenleben an Bord negativ beeinflussen könnten. "Der dritte Hauptpunkt, der zur Debatte stand, ist die Psychologie und die Isolation. Es schon ja schon damit los, dass die Kommunikationszeit bis zu 45 Minuten dauert. Außerdem ist die sechsköpfige (!) Besatzung in einer kleinen Blech-Büchse isoliert. Da ist es wichtig, dass die Crew nicht depressiv oder aggressiv wird.

Es kommt also darauf an, wie man die Besatzung während der gesamten Mission bei Laune hält", erklärt Prof. Gerzer. Letzten Endes hänge aber im Vorfeld auch vieles, so der Kölner Weltraummediziner, von der richtigen Auswahl der Leute ab - und von dem Verständnis dafür, wie man Probleme, die auftreten können, gemeinsam kurzfristig und effektiv löse. Wenn soziale Isolation, Langweile, Streitereien an Bord - gewiss gefördert durch die räumliche Enge und der fehlenden Privatsphäre - sich anstauen und kein Ventil finden, sind Eskalationen vorprogrammiert, zumal frühere Raumflüge gezeigt haben, dass Besatzungen in der Regel nach 30 Tagen eine gegenseitige Abneigung entwickeln oder ihren Frust an die Bodenstation weiterleiten. Überdies offenbaren sich bei der Crew nach etwa sechs Monaten ernsthafte Ermüdungserscheinungen und Konzentrationsschwächen. "Daher verfeinern wir - so wie dies bereits im Fall der ISS-Astronauten schon praktiziert wird - die Auswahlkriterien immer weiter". Nur Raumfahrer, die nicht anfällig für Depressionen und Aggressionen sind oder einen Drang verspüren, eine führende Rolle im Team übernehmen, kämen in die engere Wahl. "Es müssen teamfähige Leute sein", meint Gerzer.

Hilfreich für die Expeditionsteilnehmer dürfte sicherlich auch eine stetige Verbindung zur Heimat in Form von regelmäßigen Bildschirmtelefonaten mit den Lieben daheim sein, wobei direkte, vertrauliche Gespräche unter vier Augen nicht möglich sind, da aufgrund der großen Distanz jede Nachricht vom Mars ungefähr 20 Minuten unterwegs ist, bis sie ihren Adressaten erreicht.

Weitere psychisch belastende Faktoren finden sich zu Genüge. Was passiert etwa, wenn es fernab der Erde zu sexuellen Übergriffen kommt? Was geschieht, wenn es auf der ISS oder während der mehrjährigen Mars-Expedition zu einer Vergewaltigung oder gar einem tödlich endenden Konflikt zwischen Astronauten kommt? Wie reagiert etwa die Besatzung auf eine schwere Krankheit oder gar einen Todesfall eines Kollegen? Wie sind die psychischen Auswirkungen auf die Crew?

Earth-out-of-View-Phänomen

Momentan weiß keiner so recht, ob sich bei den Marsreisenden nach einer gewissen Zeit jener Rauschzustand einstellt, den Flugzeugpiloten, Tiefseetaucher und Fallschirmspringer als Break-off-Phänomen fürchten. Angesichts der Ausnahmesituation, dass Marsreisende zum ersten Mal die Nabelschnur zur Erde komplett durchtrennen, könnte es zu einem interplanetaren "Break-off" kommen. Wie reagiert ein Mensch, der seinen Heimatplaneten über ein Jahr nur als kleinen Punkt wahrnimmt? Hierzu Gerzer: "Über dieses Problem, das wir Earth-out-of-View-Phänomen nennen, haben wir uns auch Gedanken gemacht. Da gibt es viele Überlegungen."

Eine davon dürfte sicherlich in die Richtung gehen, dass die Bordapotheke mit Psychopharmaka bestens bestückt sein sollte. Eine andere Möglichkeit, um den Earth-out-of-View-Effekt zu bändigen, könnte darin bestehen, eine Besatzung aus verheirateten Paaren zu bilden. Hierbei müssten es aber sehr gut "funktionierende" Beziehungen sein, weil bereits eine handfeste Ehekrise den Missionserfolg wiederum gefährden könnte.

Ein weiterer wichtiger Komplex umfasst alle potenziellen Notfall-Szenarien, die während der Mission eintreten können. Dass die Gefahren bei Langzeitflügen vielschichtig und teilweise kaum vorauszusehen sind, beschäftigt zunehmend auch die Weltraummediziner des DLR. Was passiert, wenn sich jemand einen Knochen bricht oder wenn eine virale Infektion ausbricht? Was geschieht bei Unfällen, die sich während der notwendigen Außenarbeiten auf den Mars zutragen können, wo unberechenbare Sand- und Wirbelstürme oder Felsspalten keine Seltenheit sind? So könnten sich unsere Astronauten etwa mit winzig kleinen Nanopartikeln kontaminieren, die beim Einatmen Lungenkrankheiten verursachen können. "Das ist eine Herausforderung. Wir müssen auf diesem Gebiet besonders die Diagnostikmöglichkeiten verfeinern und verbessern", so Gerzer.

Lebenserhaltungssysteme müssen optimal funktionieren

Bei alledem steht und fällt das Gelingen der ersten bemannten Expedition zum Roten Planeten auch mit dem Lebenserhaltungssystem, von dem die Astronauten über zwei Jahre abhängig sind.

Dass dabei die Nahrungs-, Luft-, Wasser- und Nährstoffquellen absolut zuverlässig funktionieren müssen, versteht sich von selbst. Fiele etwa nur ein Element des Lebenserhaltungssystems aus, wäre die Crew unweigerlich verloren. "Hier muss alles so optimiert werden, dass sich keine Gifte anreichern können", verdeutlicht Gerzer. "Da die Mitnahme von Lebensmittel und Wasser viel zu teuer wäre, versucht man bioregenerative Lebenserhaltungssysteme zu entwickeln, die dafür sorgen, dass unterwegs beispielsweise aus den Ausscheidungen des Menschen durch Wiederaufbereitung hinterher auch wieder Getreide wachsen kann".

Menschliche Psyche stärkstes Glied in der Kette?

Angesichts der enormen und zahlreichen Probleme auf dem langen Weg zur ersten bemannten Mars-Mission, mögen die Pessimisten und Skeptiker scheinbar die bessere Karten haben. Einer, der aber in dieser Hinsicht immer gerne die Karten neu mischt und dabei meist ein gutes "Blatt" vorweisen kann, ist der Raumfahrtingenieur und Präsident der Mars Society Robert Zubrin, der den Mars-Direct-Plan konzipierte, wonach anstelle eines riesigen Mutterschiffes zunächst ein komplettes Raumschiff für die Rückkehr und eine Anlage zur Produktion von Treibstoff zum Mars gebracht werden soll. Landen die Astronauten zwei Jahre später, finden sie alles vor, was für Aufenthalt und Rückreise nötig ist. Im Gegensatz zu früheren Plänen, die bis zu 500 Milliarden Dollar Kosten veranschlagten, würde dieser Plan "nur" 30 bis 50 Milliarden Dollar verschlingen.

Wie dem auch sei - im Gegensatz zu den Weltraummedizinern hält Dr. Zubrin den Faktor Mensch nicht für die eigentliche Schwachstelle - im Gegenteil: "Denken wir nur an den Stress, dem die Entdeckungsreisenden früherer Epochen, Seefahrer, Gefangene, Soldaten im Krieg und flüchtende Menschen ausgesetzt waren! Dagegen erscheinen die Belastungen der handverlesenen Marsastronauten vergleichsweise sehr moderat. Die Erfahrungen aus der Geschichte sprechen eher dafür, dass sich bei einer bemannten Mars-Mission die menschliche Psyche nicht als das schwächste Glied der Kette, sondern sehr wahrscheinlich als ihr stärkstes herausstellen wird".

"Wir müssen auf den Mars" - Sehenswertes Alpha-Centauri-Video mit Prof. Harald Lesch (Real Player erforderlich):