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Trainieren in der Schwerelosigkeit: Mobil im Weltall

Forscherinnen und Forscher testen am Institut für Sport und Sportwissenschaft der Universität Freiburg Trainingsgeräte, mit denen sich Astronauten im Weltall künftig fit halten sollen. Countdown. Volle Schubkraft. Die Piloten ziehen das Flugzeug nach oben, im Winkel von 45 Grad. Innen ist die Schwerkraft doppelt so stark wie auf der Erde. Wer versucht zu gehen, kann die Füße kaum vom Boden lösen. Dann lässt die Beschleunigung nach, die Gravitation setzt aus, die Insassen beginnen zu schweben. „Es gibt kein Oben und Unten mehr, ähnlich wie im Wasser, nur ganz ohne Widerstand“, sagt Ramona Ritzmann, Doktorandin am Institut für Sport und Sportwissenschaft der Universität Freiburg.


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Forschung in der Schwerelosigkeit: Bei Parabelfügen testen Freiburger Wissenschaftler Trainingsgeräte für Astronauten. (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR)

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Drei Stunden Sport täglich stehen schon heute bei der Besatzung der Internationalen Raumstation ISS auf dem Programm, zum Beispiel mit Steppern oder Fahrrad-Ergometern. Dennoch können die Astronauten nach der Rückkehr auf die Erde nicht ohne fremde Hilfe gehen. Im Schnitt bauen sie monatlich zehn Prozent ihrer Muskelmasse ab sowie ein Prozent der Knochensubstanz, weil die Muskeln nicht mehr genug Kraft auf die Knochen ausüben. Ziel der internationalen Raumfahrtbehörden jedoch seien Marsmissionen, bei denen die Astronauten bis zur Rückkehr auf die Erde drei Jahre lang unterwegs sein sollen, sagt Prof. Dr. Albert Gollhofer, Direktor des Instituts für Sport und Sportwissenschaft: „Dafür reichen die bisherigen Trainingsmethoden nicht aus.“

 

  • Zusammenspiel von Nerven und Muskeln 
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Über Elektroden wird die Muskelaktivität und Reflexaktivität der Probanden während des Testtrainings gemessen und aufgezeichnet. (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR)

Gollhofer leitet das Freiburger Forschungsteam, das neue Ansätze für den Sport in der Schwerelosigkeit entwickelt. Die Wissenschaftler untersuchen das Zusammenspiel von Nerven und Muskeln. Ausgangspunkt jeder Bewegung sind Signale aus dem Nervensystem. Diese können über das Gehirn im Sinne einer bewussten Bewegung abgesandt oder als reflektorische Signale von den Sensoren im Bewegungsapparat aufgebaut werden. „Wir wollen Bewegungsabläufe von diesem Ursprung her genauer verstehen und dadurch die Trainingsmethoden verbessern“, sagt Ritzmann. Wenn Probandinnen und Probanden neue Trainingsgeräte testen, löst dies bei ihnen neuromuskuläre Anpassungs-mechanismen aus, die von der Sportwissenschaftlerin gemessen werden.

„Damit können wir feststellen, ob die Übungen die Nerven und Muskeln so ansprechen, dass das Training effektiv ist.“Für das Weltall jedoch eignen sich die Geräte nur, wenn der Körper in der Schwerelosigkeit genauso wie unter dem Einfluss der Schwerkraft reagiert. Den Nachweis dafür wollen die Forscherinnen und Forscher bei den Parabelflügen erbringen. „Die 22 Sekunden Schwerelosigkeit reichen aus, um festzustellen, ob die Muskeln über das Nervensystem auf die gleiche Weise angesteuert werden“, sagt Ritzmann. Sie hat die Sportgeräte während der Parabeln selbst ausprobiert: „Bis jetzt sieht es gut aus, dass Nerven und Muskeln in der Schwerelosigkeit vergleichbare Aktivitäten zeigen.“

 
  • Die Geräte simulieren Schwerkraft 
Die Freiburger Forscher testen drei Trainingsmethoden: Ganzkörpervibration, Springen und Gleichgewichtskontrolle. Alle basieren auf dem Prinzip, dass die Übungsgeräte die Schwerkraft, die im Weltall fehlt, simulieren. Die Trainierenden liegen auf dem Rücken, die Füße stehen auf einer rechteckigen Platte. Mit Gurten oder mit einem Unterdrucksystem üben die Geräte einen Druck auf die Schultern in Richtung der Füße aus, dessen Stärke der Schwerkraft entspricht. Bei der Ganzkörpervibration ist die Platte unter den Füßen auf Federn gelagert. Indem sie vibriert, löst sie Reflexe aus, die wiederum die Muskulatur aktivieren. „Wir wollen möglichst viele Reize geben, damit die Muskeln sich in schneller Folge zusammenziehen und wieder entspannen“, erklärt Gollhofer. Das trainiert zum Beispiel Kondition und Kraft, vor allem in den Beinen und im Rumpf.
 
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Ramona Ritzmann

Ramona Ritzmann promoviert an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Arbeitsbereich Motorik und am Institut für Trainings- und Bewegungswissenschaft der Universität Potsdam. Sie hat von 2001 bis 2008 an der Universität Freiburg studiert und 2007 das erste Staatsexamen in den Fächern Sportwissenschaft und Mathematik abgelegt. Ein Jahr später folgte der Magisterabschluss in beiden Fächern. Sie forscht auf dem Gebiet der biomechanischen Bewegungsanalyse und der Funktionsweise des Nervensystems beim Training in der Schwerelosigkeit.

Prof. Dr. Albert Gollhofer

Albert Gollhofer ist seit September 2000 Direktor und Ordinarius am Institut für Sport und Sportwissenschaft der Albert-Ludwigs-Universität. Er hat Sport, Leistungsphysiologie und Physik an der Universität Freiburg studiert, wurde 1986 promoviert und 1993 mit einer Arbeit über „Belastungsvariation und motorische Koordination“ habilitiert. Anschließend wechselte er als Professor für Sportwissenschaft mit dem Schwerpunkt angewandte Biomechanik an die Universität Stuttgart. Von 2005 bis 2009 war er zudem Präsident der sportwissenschaftlichen Organisation European College of Sport Science. Seine Forschungsschwerpunkte sind neuromuskuläre Anpassungsmechanismen, motorische Kontrolle und Biomechanik.

 

 

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  Ramona Ritzmann erklärt das Test-Training in der Schwerelosigkeit
 

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"Am Abend vorher bleiben wir noch mit beiden Beinen auf dem Boden: Bevor das Flugzeug von Bordeaux aus startet, erklären die Piloten und Sicherheitskräfte der Maschine uns teilnehmenden Wissenschaftlern, wie die Parabelflüge ablaufen und was wir unbedingt beachten müssen." (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR).
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"Unsere Testreihe in der Schwerelosigkeit führen wir im Airbus 300 Zero G der Firma Novespace durch. Träger der Maschine sind die Europäische Weltraumbehörde (ESA), die Französische Weltraumbehörde (CNES) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Weltweit gibt es drei Flugzeuge dieser Art. Außer den europäischen Behörden besitzen die USA und Russland ein Flugzeug, mit dem Parabeln geflogen werden können." (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR).
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"Insgesamt sind 12 bis 14 Forschergruppen aus Europa mit an Bord. 22 Sekunden dauert die Schwerelosigkeit während eines Parabelflugs, während dieser wir unsere Tests machen. Die Piloten wiederholen die Parabeln 31-mal pro Testflug." (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR).
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"In der Maschine befinden sich vier Piloten, drei steuern die Manöver manuell: Einer ist für das Höhenruder, einer für das Seitenruder und einer für den Schub verantwortlich. Nur Testpiloten sind für Parabelflüge zugelassen." (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR).

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"An Bord befinden sich zwei Ärzte. Zusätzlich dazu werden wir Forscherteams während des Fluges von zehn Sicherheitskräften in orangefarbenen Overalls unterstützt. Außer den Projektleitern dürfen auch Freiburger Studierende als Probanden an den Parabelflügen teilnehmen. Aufgrund der starken körperlichen Belastung müssen sie hundertprozentig gesund sein und eine Untersuchung zur Pilotentauglichkeit vorweisen." (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR).
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"Hier liege ich während des Fluges in der Vibrationsapparatur, meine Füße stehen auf einer rechteckigen Platte. Mittels eines Gurtsystems wird eine konstante Kraft über die Schultern in Richtung der Füße eingeleitet. Diese Kraft entspricht der Schwerkraft. Bei der Ganzkörpervibration ist die Platte unter den Füßen auf Federn gelagert. Indem sie vibriert, löst sie Reflexe aus, die die Muskulatur aktivieren. Das trainiert Kondition und Kraft, vor allem in den Beinen und im Rumpf." (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR).
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"Computer zeichnen die Messdaten zur Muskelaktivität und Reflexaktivität während der Trainingsintervention auf. Diese Daten vergleiche ich nach den Flügen mit den zuvor am Boden gemessenen Daten. So sehe ich, ob unser Trainingsgerät in der Schwerelosigkeit die Muskulatur in gleicher Weise anspricht wie am Boden." (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR).
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"Wenn während des Fluges Zeit bleibt, stattet der Chefpilot uns Forscherteams in der Phase der Schwerelosigkeit einen Besuch ab. Die Route ist bei den Parabelflügen vom Wetter abhängig, nur bei optimalen Bedingungen können die Piloten die Manöver durchführen. Nach dem Start in Bordeaux fliegen sie dafür zunächst Militärgebiete zum Beispiel in der Normandie, an der Ostsee oder über Korsika an." (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR).
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"Die Zeit, um in der Schwerelosigkeit Daten aufzeichnen zu können ist sehr kurz. Wir müssen sie optimal ausnutzten. Für den Fall, dass etwas schief geht oder eine unserer Versuchspersonen mit Übelkeit zu kämpfen hat, haben wir immer zwei Parabeln in Reserve. Wenn unser Experiment perfekt verläuft und uns kein Fehler passiert, bleiben uns diese zwei Parabeln, um das Gefühl der Schwerelosigkeit zu genießen.“ (Foto: Hoffmann/Multhaupt DLR).
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