Entwicklung eines modularen Trainingssystems für den Einsatz auf einer Kurzarmzentrifuge

Kurzfassung

Der bemannte Marsflug ist ein erklärtes Ziel vieler Nationen und Organisationen. Nicht nur die US-amerikanische Weltraumbehörde (NASA), sondern auch die Europäische Weltraumorganisation (ESA) und private Unternehmen, wie SpaceX halten einen Explorationsflug in den 30er Jahren für bedeutsam und möglich. Die Dauer einer Mars-Mission wird mit einem Zeitraum zwischen 900 und 1100 Tagen angegeben. Astronauten sind in dieser Zeit negativen Einflüssen ausgesetzt. Neben der kosmischen und solaren Strahlung gilt die langanhaltende Schwerelosigkeit als das größte medizinische Problem. So nimmt die Knochendichte stark ab, die Muskelmasse schwindet und es treten Probleme im kardiovaskulären System auf. Um diesen Einflüssen entgegenzuarbeiten, bzw. diese zu minimieren, sind Gegenmaßnahmen erforderlich; eine vielversprechende Maßnahme ist hierbei die künstliche Gravitation durch Zentrifugation. Das Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR) in Köln beschäftigt sich mit dieser Problemstellung und erforscht die Wirkung von Zentrifugation auf den menschlichen Körper. Der Proband liegt oder sitzt auf einer Zentrifuge und ist dabei mit dem Kopf zur Rotationsachse hin gerichtet. Aufgrund der Fliehkraft erfährt der Proband eine Kraft, die ähnlich der Erdanziehungskraft wirkt. Verschiedene Studien von NASA, ESA und DLR zeigten bereits, dass künstliche Gravitation den diversen Abbauprozessen in der Schwerelosigkeit entgegen wirken kann. Um Folgestudien zu ermöglichen soll im Rahmen dieser Masterarbeit eine modulare Trainingseinheit entwickelt werden, die es zukünftigen Probanden/-innen erlaubt, ein Krafttraining auf einer Zentrifuge durchzuführen. Die Motivation dieser Arbeit liegt in der Umsetzung eines kompletten Projektes, von der anfänglichen Erarbeitung theoretischer Grundlagen, bis hin zur Konstruktion und Erprobung der entwickelten Einheit. Da es bis dato weltweit noch kein vergleichbares Projekt gibt, das sich mit einem Training während einer Zentrifugation befasst, ist dies eine Gelegenheit an einer neuartigen Entwicklung für die Raumfahrtforschung mitzuwirken. Um die Auswirkungen künstlicher Gravitation auf den menschlichen Körper zu erfassen, führt das DLR Studien auf einer Kurzarmhumanzentrifuge (Short Arm Human Centrifuge / SAHC) durch. Bisher wurde primär eine passive Zentrifugation (Proband liegt / sitzt still) des Menschen untersucht, nun soll die Zentrifuge um ein Trainingssystem erweitert werden. Um viele unterschiedliche Muskelgruppen trainieren zu können, muss das System flexibel und zeitgleich kompakt konstruiert werden. Da die Zentrifuge für diverse Studien mit unterschiedlichen Konfigurationen genutzt wird, ist es erforderlich, die Trainingseinheit modular zu gestalten, um diese jederzeit von der Zentrifuge entfernen zu können. Zu beachten ist weiterhin, dass die Maximallast eines Zentrifugen-Arms von 150 kg nicht überschritten werden darf. Mit Abzug des Gewichts eines Probanden (max. 90 kg) soll das System ein Gewicht von 60 kg nicht überschreiten. Die Auswirkungen der Gravitation auf den menschlichen Organismus sind bis heute noch nicht komplett erforscht. Während des Fehlens der Gravitation über Bettruhestudien simuliert und erforscht werden kann, birgt die Simulation von künstlicher Gravitation einen größeren technischen Aufwand. Mit einer Kurzarmzentrifuge erforscht das DLR die Auswirkungen der künstlichen Gravitation auf den menschlichen Organismus. Erste Forschungsergebnisse zeigen, dass die Simulation von Gravitation einen positiven Effekt auf die Konstitution des Menschen hat. Um zukünftig ein aktives Krafttraining auf der Zentrifuge zu realisieren, wurde ein Trainingsmodul für die Zentrifuge entwickelt und konstruiert. Um den Anforderungen an das System gerecht zu werden, wurde die Trainingseinheit in Unterfunktionen strukturiert, damit anschließende passende Lösungen für jede Funktion gefundenwerden konnten. Um gesamte Muskelgruppen und keine isolierten Muskeln anzusprechen, soll dem Proband ein freibewegliches Training gestattet werden. Hierfür wird das Training über einen Seilzug realisiert; ein Kabelzugtrainer dient dabei als Vorbild. Die letztendliche Lösung verwendet zwei Pneumatikzylinder, die die gewünschte Kraft auf den Probanden übertragen. Der vergleichsweise kleine Hub des Zylinders wird über einen Flaschenzug verdoppelt, wodurch das Zugseil um bis zu 1,2 m ausgezogen werden kann. Während bei handelsüblichen Multifunktions-Trainern die Variation an angesprochenen Muskeln über die Variabilität des Standpunktes des Nutzers steigt, muss auf der Zentrifuge das Trainingsgerät veränderbare Kraft-Angriffspunkte besitzen. Über einen Schwenkarm, der auf einer Lineareinheit verbaut ist, kann so nahezu jede bedeutsame Position angefahren werden. Ein variables Training während einer durchgängigen Zentrifugation erlauben zwei integrierte Motoren, die die Position des Linearschlittens sowie die Höhe Kraft variieren. Dabei erfolgt die Ansteuerung über einen Mikrocontroller, der vom Kontrollraum gesteuert werden kann. Das entwickelte Trainingsmodul ist ein erster Prototyp und muss weiter getestet und verbessert werden. Zukünftige Tests und Studien sollen die fortführende Überprüfung der ausgewählten Übungen enthalten. Während der ersten Testfahrten zeigte sich, dass der Schwenkarm bei Belastung eine hohe Beweglichkeit aufweist. Dies ist hauptsächlich auf die geringe Steifigkeit der Linearachse zurückzuführen. Eine verwindungssteifere Lineareinheit könnte bereits zu einer Reduktion der Beweglichkeit führen. Allerdings müssen hierfür einige Teile neu konstruiert werden. Auch die Automatisierung der weiteren Rotationsachsen des Trainingsmoduls kann als ein zusätzliches Projekt angesehen werden. Im momentanen Aufbau werden beide Rotationsachsen manuell ausgerichtet. Für eine vollständige Steuerung der Trainingseinheit müssen beide Rotationsachsen über einen Motor o.ä. erweitert werden. Die Konstruktion einer Kontrolleinheit bildet eine weitere anschließende Arbeit. Zur Verifizierung der kommenden Studienergebnisse ist der Vergleich mit einer Kontrolleinheit unerlässlich. Dabei ist darauf zu achten, dass der Gravitationsvektor im selben Winkel wie auf der Zentrifuge auf den Probanden wirkt. Abschließend kann festgehalten werden, dass das GravityGym in naher Zukunft der Entwicklung von Gegenmaßnahmen helfen kann, die negativen Auswirkungen der Schwerelosigkeit zu reduzieren. Die ersten Funktionsüberprüfungen des Trainingsgerätes zeigen die Umsetzbarkeit von verschiedenen Übungen während der Zentrifugation. Somit können zukünftig Studien mit einem Schwerpunkt auf aktiver Zentrifugation erfolgen.