Zukünftige Missionen zum Mond und zum Mars müssen sich vielen Herausforderungen stellen, darunter der Verhinderung des Verlusts von Knochen- und Muskelgewebe bei Astronauten. Die Forschung auf der Internationalen Raumstation trägt dazu bei, diese Herausforderung zu bewältigen.
Ohne die Schwerkraft der Erde verkümmern sowohl Knochen als auch Muskeln oder werden kleiner und schwächer. Schon früh erkannten Wissenschaftler, dass Bewegung ein entscheidender Faktor für die Erhaltung gesunder Knochen und Muskeln im Weltraum ist, genau wie auf der Erde. Von einfachen Gummibändern bis hin zu frühen Einsätzen ist die Trainingshardware immer fortschrittlicher geworden. Zu den aktuellen Geräten gehören das Gewichthebesystem Advanced Resistive Exercise Device (ARED), ein Laufband der zweiten Generation namens T2 und das Fahrradgerät Cycle Ergometer with Vibration Isolation and Stabilization System (CEVIS). Studien verfeinern diese Ausrüstung sowie die Intensität und Dauer ihrer Nutzung durch Astronauten ständig. Die Besatzungsmitglieder trainieren mittlerweile durchschnittlich zwei Stunden pro Tag.
ARED wurde 2008 installiert und nutzt ein Kolben- und Schwungradsystem, um eine Belastung bereitzustellen, die im Wesentlichen das Gewichtheben in der Schwerelosigkeit nachahmt. Eine aktuelle Untersuchung der ESA (Europäische Weltraumorganisation) ARED Kinematics analysiert die Wirkung dieser Art von Training auf den Körper in der Schwerelosigkeit, um dabei zu helfen, optimale Trainingsprogramme vor, während und nach dem Weltraumflug zu bestimmen. Ergebnisse haben gezeigt dass das Training vor dem Flug die Leistung eines Einzelnen auf der Raumstation verbessert, genauso wie das Training vor der Saison den Athleten bei späteren Wettkämpfen hilft.
Von 2001 bis 2011 nutzten die Besatzungsmitglieder das Interim Resistive Exercise Device (IRED), das für mindestens 18 verschiedene Übungen konfiguriert werden konnte, bei denen sowohl die Ober- als auch die Unterkörpermuskulatur mit einer Widerstandskraft von bis zu 300 Pfund beansprucht wurde. A Retrospektive Auswertung zeigten einen gewissen Zusammenhang zwischen der Kraft vor dem Flug und den Veränderungen nach dem Flug, und die Analyse deutete darauf hin, dass ein Widerstandsgerät, das höhere Belastungen und verbesserte Trainingsanweisungen bietet, größere Vorteile bieten könnte.
CEVIS wurde 2001 installiert und 2023 aktualisiert. Es nutzt Reibung und Widerstand und ist computergesteuert, um eine genaue Arbeitsbelastung aufrechtzuerhalten. Das System zeigt Parameter wie Fahrradgeschwindigkeit, Herzfrequenz, verstrichene Zeit und Details zu den Trainingsvorschriften an. Eine Studie Anhand der von CEVIS gesammelten Daten kam man zu dem Schluss, dass bis zu 17 % der Astronauten einen Verlust der Muskelleistung, der Knochengesundheit und der kardiorespiratorischen Fitness erleiden könnten, wenn zukünftige Missionen weiterhin die aktuellen Gegenmaßnahmen gegen Übungen anwenden. Die Forscher stellen fest, dass dies die Notwendigkeit unterstreicht, die aktuellen Behandlungspläne weiter zu verfeinern, andere Interventionen hinzuzufügen oder die Konditionierung vor dem Flug zu verbessern.
Die richtige Ausrüstung ist wichtig, aber auch die Art und Weise, wie sie genutzt wird. Zu den frühen Trainingsprogrammen gehörten das Laufen auf einem Laufband mit niedriger Geschwindigkeit und die Durchführung von Widerstandsübungen mit geringer Belastung über längere Zeiträume. Obwohl die Astronauten bis zu 10 Stunden pro Woche Sport trieben, verloren sie weiterhin Muskelmasse und Knochendichte. Immer mehr Beweise zeigten, dass hochintensives Training mit geringem Volumen die Fitness auf der Erde effektiver aufrechterhielt. Der Integrierte Widerstands- und Aerobic-Trainingsstudie (Sprint) verglichen die Ergebnisse von Workouts mit geringer Intensität und hohem Volumen mit denen von Training mit hoher Intensität und geringem Volumen in der Schwerelosigkeit.
Die Ergebnisse waren ähnlich, aber kürzere Trainingseinheiten sparen der Besatzung Zeit – eine wertvolle Ressource bei Missionen – und reduzieren den Verschleiß an Trainingsgeräten.4 Zukünftige Missionen könnten auf ein einziges Gerät sowohl für Aerobic- als auch für Widerstandsübungen beschränkt sein, was kürzere Trainingseinheiten für jede Besatzung erforderlich machen würde Mitglied kommt an die Reihe. Durch intensiveres Training könnten diese Einschränkungen ausgeglichen werden.
Ein Untersuchung namens VO2max dokumentierte Veränderungen der maximalen Sauerstoffaufnahme, die als Standardmaß für die aerobe und körperliche Leistungsfähigkeit einer Person gilt. Langfristige Raumflüge führten zu einem deutlichen Rückgang der maximalen Sauerstoffaufnahme und der aeroben Trainingskapazität. Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf künftige Langzeit-Weltraummissionen und verstärken den Beweis dafür, dass die derzeitigen Gegenmaßnahmen möglicherweise nicht ausreichend sind.
Muscle Biopsy, eine Untersuchung der ESA (Europäische Weltraumorganisation), analysierte molekulare Veränderungen in der Skelettmuskulatur vor und nach dem Weltraumflug und identifizierte ein Enzymprodukt, das als möglicher Indikator für die Muskelgesundheit verwendet werden könnte. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass aktuelle Übungsprotokolle eine Muskeldekonditionierung wirksam verhindern und Verbesserungen bei Gegenmaßnahmen unterstützen, um die Gesundheit und Leistung der Besatzung bei zukünftigen Weltraumforschungsmissionen zu schützen.
Während aktuelle Trainingsprogramme scheinbar Veränderungen im Bewegungsapparat mildern, variieren die individuellen Ergebnisse. Zusätzlich, Aktuelle Behandlungspläne können wahrscheinlich nicht direkt übertragen werden zu längeren Erkundungsmissionen aufgrund von Platzmangel, Umweltproblemen wie Ableitung von Hitze und Feuchtigkeit, Gerätewartungs- und Reparaturbedarf sowie der Herausforderung, Zeit für Übungen zu finden und Störungen bei der Arbeit anderer Besatzungsmitglieder zu vermeiden.
Geplante Missionen zur Erkundung des Mondes und des Weltraums können bis zu drei Jahre dauern. Die Forschung konzentriert sich weiterhin auf die Kombination aus Ernährung, Bewegung und Medikamenten, die Astronauten während der Raumfahrt, beim Betreten des Mondes oder Mars und bei der Rückkehr zur Erde gesund halten könnte. Da Alterung, Bewegungsmangel und Krankheiten auf der Erde zu Knochen- und Muskelschwund führen, kann diese Forschung auch den Menschen vor Ort zugute kommen.