Höhenflug beim Absturz

„Ich saß auf meinem Sessel im Berner Patentamt, als mir plötzlich folgender Gedanke kam: ,Wenn sich eine Person im freien Fall befindet, dann spürt sie ihr eigenes Gewicht nicht‘ „, so beschreibt Albert Einstein den „glücklichsten Gedanken“ seines Lebens. Er gab ihm im November 1907 den Anstoß für die Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Daran muss ich unwillkürlich denken, als ich aus acht Kilometer Höhe in Richtung Atlantik stürze. Denn ich fühle Einsteins Erkenntnis gleichsam am eigenen Leib. Es ist zwar nicht mein erster „freier Fall“ – doch beim Fallschirmspringen spürt man den harten Luftwiderstand, und der Gegenwind reißt die Atemluft so brachial an einem vorbei, dass man kaum philosophische Gedanken hegt. Im Flugzeug hingegen fühle ich mich wie im Weltraum – völlig losgelöst von der Erde.

„Das Flugzeug fliegt nicht mehr, sondern es fällt“, hat der Pilot Gilles Le Barzic bei der Sicherheitsbelehrung am Vortrag gesagt. Während der Wurfparabel, gut 20 Sekunden lang, herrscht nahezu Schwerelosigkeit an Bord. Die anderen Passagiere halten sich fest oder sind mit Gurten an den Boden geschnallt. Ich lasse mich treiben. Diese Erfahrung ist mit nichts zu vergleichen – auch nicht mit dem Gefühl unter Wasser. Während man sich dort mit Schwimmbewegungen voranstoßen kann, wirken solche Bewegungen in der Luft allenfalls komisch. Wenn man nicht irgendwo Halt findet, hängt man im Raum oder treibt gegen eine Wand oder die Decke. Mit Vergnügen schlage ich Purzelbäume – und weiß plötzlich nicht mehr, wo mir der Kopf steht. Das haben selbst Redaktionskonferenzen und Terminmahnungen der bdw-Chefredaktion noch nicht geschafft.

Leider ist die „Leichtigkeit des Seins“ nicht für jeden erträglich: 10 bis 15 Prozent werden von der Raum- oder Bewegungskrankheit gepackt, der Kinetose. Ihre Symptome sind Hautblässe, kalter Schweiß, Übelkeit, Erbrechen und Müdigkeit bis hin zur Lethargie. „Ursache ist ein sensorischer Konflikt, bei dem zwei verschiedene Systeme des Körpers konkurrieren: das visuelle System und der Gleichgewichtssinn“, erklärt Bernd Johannes vom Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Hamburg. Der Gleichgewichtssinn besteht aus den Otolithenorganen und Bogengängen im Innenohr und erfasst die Kopfbewegung und -stellung. Passen diese Informationen nicht zu denen der Augen, gerät das Gehirn durcheinander.

Warum der sensorische Konflikt bei manchen zur Übelkeit führt, und bei anderen nicht, ist unklar. Johannes hat mit seinem Team deshalb die Zustände des vestibulären und des vegetativen Systems während unseres Parabelflugs synchron bei mehreren Versuchspersonen gemessen: Atemfrequenz, Blutdruck, Hauttemperatur, Hautleitfähigkeit sowie Augen- und Kopfbewegungen – abhängig davon, ob die Versuchsperson liegt oder sitzt und wie sie den Kopf hält. Andere Messungen registrierten die Gehirnströme, die Atmung und verschiedene Stresshormone im Blut. Ziel ist es, die Kinetose besser zu verstehen und auch zu behandeln. Die bisherigen Medikamente unterdrücken allenfalls die Symptome.

Frühere Parabelflug-Experimente mit Fischen von Reinhard Hilbig und Ralf Anken von der Universität Stuttgart-Hohenheim haben ergeben, dass ungleiche Schweresteinchen (Otolithen) im linken beziehungsweise rechten Innenohr die Ursache der Kinetose sein können – vermutlich auch bei Menschen. „Kinetotische Fische schwimmen im Kreis und taumeln um die Körperlängsachse“, berichtet Anken. „Bei normaler Erdschwerkraft wird die Asymmetrie der Otolithen vom Gehirn kompensiert.“ Unter Schwerelosigkeit kommt es zu Verrechnungsstörungen beim Abgleich mit den visuellen Informationen. „Vermutlich ist die eigentliche Ursache von Bewegungskrankheiten eine asymmetrische Einlagerung von Kalzium in die Otolithen.“

Ein anderer Effekt der Schwerelosigkeit sind Flüssigkeitsverschiebungen im Körper von den Beinen in den Kopf. Astronauten sprechen von „puffy face“ und „bird legs“. „Binnen zweier Tage kommt es zu einem Blutverlust von etwa zehn Prozent, der nach der Landung wieder ausgeglichen wird. Ursache ist, dass das Herz in der Mikrogravitation nicht mehr gegen die Schwerkraft anpumpen muss“, erläutert Vladimir Blazek von der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Mit Kipptests auf der Erde zeigte er, dass sich die Beine binnen zehn Sekunden „entleeren“. Mit Hanns-Christian Gunga vom Zentrum für Weltraummedizin in Berlin und weiteren Kollegen misst er den Beginn der Flüssigkeitsverschiebungen im Hautgewebe mit Ultraschall und mit Methoden zur Gewebevolumen-Bestimmung. Im Flugzeug werden beide Verfahren erstmals gemeinsam eingesetzt. „ Die Experimente helfen uns, die Haut – unser größtes Organ – als Volumen- und Elektrolytspeicher insgesamt besser zu verstehen“, sagt Blazek.

„Wir haben sehr schnelle Flüssigkeitsverschiebungen gemessen“, resümiert Hanns-Christian Gunga nach den ersten Auswertungen später in Berlin. „Binnen 20 Sekunden steigt mehr als ein halber Liter von den Beinen nach oben. Bei den Hypergravitationsphasen kehrt sich der Effekt gleich wieder um. Überraschend ist, dass die Verlagerung tiefer unter der Haut stattfindet als erwartet – im subcutanen Bereich, nicht in der Epidermis.“

Auch Hans-Ulrich Hoffmann, stellvertretender Parabelflug-Projektleiter beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und für die Humanphysiologie-Experimente zuständig, ist von den Flüssigkeitsverschiebungen beeindruckt: „ Die Verschiebungen lassen sich teilweise rückgängig machen, wenn man den Unterkörper einem Unterdruck aussetzt. Das haben wir in früheren Parabelflügen getestet.“ Zusätzlich mussten die Versuchspersonen, darunter Hoffmann selbst, in dem Unterdruck-Behälter auf einem Trimmfahrrad fahren. „Dabei stellten wir eine unerwartete Umkehr der Beinmuskeltätigkeit fest“ , erinnert sich der Biologe. „Statt zu treten, zieht man vorwiegend an den Pedalen. Solche Erkenntnisse haben natürlich Konsequenzen für Trainingsprogramme bei Langzeit-Weltraumflügen, etwa auf der ISS – schließlich will man ja die richtigen Muskeln auf die richtige Weise aufbauen.“ Dieses Wissen kann auch bei der Rehabilitation zum Beispiel von Schlaganfall- und Muskeldystrophie-Patienten auf der Erde helfen.

„Die Forschung unter Schwerelosigkeit gibt die einzigartige Gelegenheit, Phänomene zu erkunden, die gewöhnlich durch die Gravitation maskiert oder gestört werden. Wir können Effekte und Kräfte entdecken, die wir anders nie finden würden“, sagt Ulrike Friedrich, die Projektleiterin der DLR-Parabelflüge.

Dass Menschen von den veränderten Schwerkraftbedingungen nicht nur gepackt werden, sondern dabei auch anders zupacken, untersucht das Team von Michaela Girgenrath von der Deutschen Sporthochschule in Köln. Experimente bei der dreifachen Schwerkraft einer Zentrifuge haben gezeigt, dass man unnötigerweise mehr Kraft aufwendet als normal, um zum Beispiel feinmotorische Bewegungen mit einem Joystick auszuführen. Werden die Aktivität und die Empfindlichkeit der Muskelrezeptoren etwa vom Gleichgewichtsorgan beeinflusst? „Unsere Ergebnisse in der Mikrogravitation sind nicht einheitlich – manche Versuchspersonen produzierten zu viel Kraft, andere zu wenig“, lautet Girgenraths Zwischenbilanz einige Wochen nach dem Flug. „Aber bislang haben wir erst drei Probanden getestet, das reicht nicht für eine gute Statistik.“ Doch die wird sich bald verbessern, denn Girgenraths Team geht auch dieses Jahr wieder in die Luft.

Markus Braun von der Universität Bonn, ebenfalls ein Vielflieger, hat mit seinen Experimenten zur Schwerkraft-Wahrnehmung von Pflanzen für Aufsehen gesorgt. Bei der Armleuchteralge fand er einen „kontaktabhängigen Wahrnehmungsmechanismus“, bei dem Schweresteinchen mit speziellen Sensormolekülen in der Zellmembran wechselwirken. Beim Parabelflug jetzt hat Braun über 2000 Keimwurzeln verschiedener Pflanzen an Bord, darunter Gartenkresse und Reis. „Sie besitzen vermutlich einen druckabhängigen Schwerkraftmesser, bei dem das Gewicht der Schweresteinchen die Sensormoleküle aktiviert“, sagt Braun nach den ersten Auswertungen.

Die meisten Wissenschaftler scharen sich um eine Anlage von der Größe eines kleinen Schranks mit dem Akronym TEMPUS (tiegelfreies elektromagnetisches Positionieren unter Schwerelosigkeit). Darin werden in einem Spulensystem hochfrequente Magnetfelder erzeugt (200 Kilohertz bei 200 Ampere und 3 Kilowatt), in denen bis zu einen Zentimeter große, elektrisch leitende Proben durch magnetische Induktion in einem Positionierfeld zum Schweben gebracht, auf 500 bis 2100 Grad Celsius erhitzt und im Heizfeld geschmolzen werden. Das Besondere: Im Gegensatz zu herkömmlichen Schmelzöfen reagieren die Proben nicht mit einem Tiegelbehälter. Um sie berührungslos zu positionieren, genügen in der Schwerelosigkeit weit schwächere Magnetfelder als auf der Erde. Gleichzeitig kann das Heizfeld nach Aufschmelzen der Probe abgeschaltet werden, wodurch die störenden Konvektionsströme weitgehend ausbleiben. „Mit TEMPUS lassen sich Materialeigenschaften über weite Temperaturbereiche präzise messen. Das hilft beispielsweise, um die Herstellung von Hochleistungslegierungen zu optimieren“, sagt Wolfgang Dreier vom DLR.

„Die Daten werden für die Prozesssimulation in der Gießereitechnik verwendet. Das ist entgegen manchen Vorurteilen keine altertümliche Technologie“, sagt Jörg Piller von der European Aeronautic Defence and Space Company (EADS). „Da darf man nicht an Spätzlemaschinen denken. Turbinenschaufeln und Motorblöcke sind nur zwei Beispiele.“

Die Industrie ist dabei mit von der Partie. „Für bessere Simulationen von Gießprozessen werden temperaturabhängige thermophysikalische Daten von erstarrenden Schmelzen benötigt. Für Viskosität und Oberflächenspannung kann man die nur in der Schwerelosigkeit gewinnen“, sagt Wilfried Bender von der Forschungsabteilung der Hydro Aluminium Deutschland GmbH in Bonn. Im Parabelflug wurden solche Werte gemessen. Lokale Erstarrungsprozesse sollen damit per Computer genauer vorhergesagt und optimiert werden, bevor Millionen Euro für Gussformenbau und Gießversuche ausgegeben werden, hofft Bender. „ Dann wissen wir vorher, dass wir die Schmelze beim Guss auch in engste Bereiche der Form bringen.“

Eine Weiterentwicklung von TEMPUS soll auf der Internationalen Raumstation ISS Platz finden, sobald das europäische Modul Columbus dort angedockt ist. Auch Jürgen Blum und sein Team von der Universität Braunschweig bereiten ausführlichere Experimente auf der ISS vor. An Bord des Parabel-Flugzeugs sind sie mit zwei Experimenten vertreten. In einem soll die Bildung von Regolith nachvollzogen werden – jener feinen, porösen Staubschicht, die den Mond und viele Planetoiden überzieht. Das lässt sich unter irdischen Schwerkraftbedingungen nicht simulieren, da hier die lockere Schicht unter ihrem eigenen Gewicht zusammenfällt. Im anderen wird untersucht, wie Staubteilchen sich von einer Lichtquelle entfernen (Photophorese) – ein Prozess, der bei der Entstehung von Planeten aus Gas- und Staubwolken wichtig ist.

Aber nicht nur professionelle Forscher nutzen die Schwerelosigkeit als Experimentierfeld. Auch der wissenschaftliche Nachwuchs erhält seit 2000 im Rahmen der „ Student Parabolic Flight Campaign“ der Europäischen Raumfahrtagentur ESA jährlich Gelegenheit dazu. Initiiert hatte das 1994 der niederländische Astronaut Wubbo Ockels – und wie bei der DLR-Kampagne hatte ich Gelegenheit, die Studenten bei 31 Parabeln zu begleiten.

„Der Weltraum als Werkzeug der Mo- tivation für wissenschaftliches Verständnis und Enthusiasmus“, fasst Philippe Willekens die Grundidee zusammen. „Die erste Erfahrung der Schwerelosigkeit ist ein Souvenir, das man für den Rest seines Lebens mit sich tragen wird.“ Der Administrator for Education Projects am European Space Research and Technology Centre (ESTEC) im niederländischen Noordwijk ist einer der Koordinatoren der rund 120 ausgewählten Studenten, die jährlich „den Weltraumbedingungen so nahe kommen, wie es unter irdischen Bedingungen möglich ist“.

Einer von ihnen ist Bernd Willems, Biologie-Student an der Universität Köln. Mit seinen Freunden Lars Robbel, Mathias Broxtermann und Peter Ströhle gründete er die Forschungsgruppe „ Gene Profilers“, unterstützt von dem Genetiker Martin Gajewski am Lehrstuhl des Genetik-Professors Diethard Tautz. Ziel ist es, die Gen-Aktivität von Zebrafisch-Embryos zu messen. Diese tropischen Knochenfische sind Standardtiere der Genetik, denn ihre Erbsubstanz – rund 16 000 Gene – ist vollständig entziffert.

Rund 1200 der knapp einen Millimeter großen Fischeier, tags zuvor erst gezeugt, nahmen Willems und seine Freunde mit ins Parabelflugzeug. Die eine Hälfte durchlebte die Phasen der Mikrogravitation, die andere wurde als Kontrollgruppe in einer speziellen 1 G-Zentrifuge untergebracht, die die Schwerelosigkeit kompensierte. Nach der Landung extrahierten die Studenten die Erbsubstanz, die sie später in Köln mit Hilfe eines „Gen-Chips“ analysierten. Die langwierige Datenauswertung ist noch nicht abgeschlossen. Deutlich wurde aber schon, dass knapp 60 der 16 000 Gene – von denen über die Hälfte in dieser Entwicklungsphase „ eingeschaltet“ sind – in den Mikrogravitations-Proben signifikant stärker oder schwächer aktiv waren als in der Kontrollgruppe.

Über die Bedeutung dieser Unterschiede rätselt Willems noch. Die Funktion eines Drittels der Gene ist bislang nicht einmal bekannt. Andere haben mit der Ausbildung des Nervensystems und der Augen zu tun, mit dem Zellskelett oder allgemein mit Stress. „ Von manchen wusste noch niemand, dass sie überhaupt in diesem Entwicklungsstadium aktiv sind“, sagt Willems. Ein interessanter Kandidat ist das Gen mit der Datenbank-Bezeichnung AL719902, das bei der Ausbildung des Schweresinnesorgans im Innenohr eine Rolle zu spielen scheint. In der Schwerelosigkeit war es weniger aktiv – vielleicht wurde es durch die wechselnden gravitativen Informationen unterdrückt. „Mikrogravitation hat einen nachweislichen Einfluss auf die Gen-Aktivität in einem lebendigen Embryo“, lautet das Resümee der „Gene-Profiler“.

Als ich dreieinhalb Stunden nach dem Start wieder festen Boden unter den Füßen habe, sind die hochfliegenden Emotionen noch nicht vorbei. Tatsächlich ist die Zeit wie im Flug vergangen – und wir kommen uns jetzt alle wie Astronauten vor. Schade, dass Albert Einstein das nicht erleben konnte. ■

Rüdiger Vaas