NEEMO: Astronauten auf Tauchgang – Eine Analog-Mission am Meeresgrund

Sie wollen zum Mars, Mond oder zu Asteroiden, aber trainieren tun sie unter Wasser: Im Rahmen der Analog-Mission NEEMO schicken NASA und ESO regelmäßig Astronauten auf den Meeresgrund. Dort erproben sie neue Raumfahrttechnik, üben das Arbeiten unter veränderter Schwerkraft und erleben nicht selten überraschende Effekte.

Eine lebensfeindliche Umwelt, klobige Anzüge und eine enge Raumkapsel als Wohn- und Arbeitsort – für Astronauten auf Raumfahrtmissionen ist dies Alltag. Doch um Mensch, Technik und Material auf diese Herausforderungen vorzubereiten, führen die NASA und andere Raumfahrtagenturen regelmäßig Analog-Missionen durch – Tests unter möglichst realistischen und lebensfeindlichen Bedingungen.

Zurzeit findet eine dieser Analog-Missionen vor der Küste von Florida statt: Im Unterwasserhabitat der NEEMO-Mission testen vier “Aquanauten” Prozesse und Technik für die erste bemannte Marsmission.

Generalprobe fürs All
Wozu sind Analog-Missionen gut?
Die Gesetze des Weltraums sind hart, aber simpel: Wer Fehler macht, stirbt. In der lebensfeindlichen Umgebung des Alls kann jeder falsche Handgriff, jedes Versagen von Technik oder Material zum Tod führen. Entsprechend genau und umfassend müssen Astronauten und Raumfahrtmissionen ihre Ausrüstung und ihre Aktionen im Vorhinein planen und testen – möglichst bevor sie sich den extremen Bedingungen des Weltraums oder fremder Planeten aussetzen.

Mars-500: 520 Tage im Isolations-Container als Simulation eines Marsflugs

Mars-500: 520 Tage im Isolations-Container als Simulation eines Marsflugs

Im Container zum Mars
Aber wie testet man die Härten und Herausforderungen einer bemannten Marsmission oder eines Fluges zu einem Asteroiden? Der Klassiker dafür sind Analog-Missionen – Projekte, bei denen Mensch und Material hier auf der Erde ähnlich harten Bedingungen ausgesetzt sind wie auf fremden Planeten oder auf einem langen Raumflug. Die passende Umgebung dafür bieten lebensfeindliche Wüsten, Eis und Permafrost der Polargebiete, aber auch nachgebaute Habitate mitten in Forschungszentren oder Großstädten.

Für die Mars-500-Mission lebten sechs Astronauten eineinhalb Jahre lang eingeschlossen in einem nachgebauten Mars-Raumschiff. In den engen Containern im Keller eines Moskauer Forschungszentrums waren sie ähnlichem psychologischen und sozialen Stress ausgesetzt wie auf einem Flug zum Mars. Dabei ging es unter anderem darum herauszufinden, wie sich dies auf Stimmung, Leistungsfähigkeit und Gesundheit der Teilnehmer auswirkt, aber auch, wie Astronauten aus verschiedenen Ländern dabei miteinander klarkommen.

Lebensfeindliche Umwelt: Die Concordia-Station in der Antarktis dient auch als Stützpunkt für Analog-Missionen.

Lebensfeindliche Umwelt: Die Concordia-Station in der Antarktis dient auch als Stützpunkt für Analog-Missionen.

Vulkanwüsten und Polarwinter
Weniger lang, dafür aber in lebensfeindlicherer Umgebung, läuft die Analog-Mission HI-SEAS. In ihrem Rahmen leben Forscher mehrere Monate lang isoliert auf dem Gipfel des Mauna Loa auf Hawaii. Die karge Umgebung ähnelt der der Marsoberfläche, so dass beispielsweise geologische Untersuchungen in Raumanzügen geprobt werden können. Tests für unbemannte Rover und Erkundungsroboter führen die Raumfahrtagenturen unter anderem auf dem Ätna in Italien und in der Wüste von Arizona statt.

Noch extremer geht es bei den Analog-Missionen in der antarktischen Concordia-Station zu: Mehr als tausend Kilometer von der Küste entfernt, liegt die Station mitten im eisigen Nirgendwo. Dort überwintern regelmäßig Wissenschaftler im Dienste der Raumfahrt – bei Außentemperaturen von bis zu minus 80 Grad, im Dauerdunkel und in absoluter Isolation. Der nächstgelegene menschliche Außenposten ist die 600 Kilometer weit entfernte russische Forschungsstation Vostok. Die Concordia-Bewohner sind daher weitgehend auf sich allein gestellt. Sie führen in ihrer Station wissenschaftliche Untersuchungen durch, testen aber auch Habitate für Planeten- und Mondbasen oder Schutzanzüge.

Doch es geht noch gefährlicher…

Raumstation unter Wasser
NEEMO und das Aquarius-Habitat
Aquarius ist eine typische Raumstation: Luftschleusen und dicke Bullaugen schirmen ihr Inneres vor der Außenwelt ab. Zu erreichen ist die Station nur mit spezieller Schutzausrüstung. Wer sich ohne Luftvorrat und Atemmaske nach draußen wagt, erstickt und stirbt. Wie auf der ISS sind die Wohn- und Arbeitsbedingungen eher spartanisch: Im Labortrakt ist jeder Zentimeter mit Instrumenten vollgestopft, der Schlaf- und Wohnbereich für die sechs Besatzungsmitglieder ist kaum größer als eine Einzimmerwohnung.

Das Unterwasserhabitat Aquarius ist die

Das Unterwasserhabitat Aquarius ist die “Raumstation” der Aquanauten

20 Meter unter dem Meer
Doch Aquarius fliegt nicht im Erdorbit oder umkreist einen fremden Planeten. Sie steht auf dem Meeresgrund. Denn die Station ist das einzige permanent besetzte Untersee-Habitat der Erde – und der Ort, an dem seit 2001 regelmäßig die NASA-Analog-Mission NEEMO stattfindet. Das Unterwasserlabor liegt gut fünf Kilometer vor der Küste von Key Largo in Florida und knapp 20 Meter unter der Wasseroberfläche – umgeben von einem Korallenriff.

“Wir hören seltsame Geräusche, fühlen, wie es sich leicht mit der Strömung bewegt und spüren in unseren Ohren die leichten Schwankungen des Drucks”, beschreibt Aquanaut Herve Stevenin seine Erfahrungen während einer NEEMO- Mission. “Draußen beobachten wir eine fremde Welt. Wir sind hier die Aliens, die diese Welt besuchen. Die Aquarius ist unser Raumschiff.”

Die Aquanauten der Mission NEEMO-22 bei Ankunft an ihrer

Die Aquanauten der Mission NEEMO-22 bei Ankunft an ihrer “Raumstation” am Meeresgrund.

Aquanauten im Einsatz
Wie im All gilt unter Wasser: Wer Fehler macht, kann sein Leben in Gefahr bringen – und das gesamte Habitat gleich mit. Jeder Außeneinsatz, ob zu Fuß oder mit einem der getesteten Roboterfahrzeuge, erfordert penible Vorbereitung und strikte Planung. Die Aquanauten müssen jedes Mal klobige Anzüge anlegen, Schleusen passieren und ihren begrenzten Luftvorrat mit einkalkulieren. “NEEMO ist eine Mission, keine Simulation”, erklärt die NASA.

Seit 18. Juni 2017 leben vier neue Aquanauten an Bord der Aquarius. Kommandant der NEEMO-22-Mission ist der NASA-Astronaut Kjell Lindgren, der schon mehrere Aufenthalte auf der Raumstation ISS hinter sich hat. Den Rest der Mannschaft bilden der ESA-Astronaut Pedro Duque, der NASA-Planetenforscher und Geologe Trevor Graff und der Physiologe und Biomediziner Dominic D’Agostino von der University of Florida. Zwei Tauchtechniker begleiten sie und sorgen dafür, dass die Ausrüstung für die Außeneinsätze einwandfrei funktioniert.

Marsgefühl unter Wasser
Die Tücken der “Weltraum”-Kommunikation
Mission Control: Hier werden Zeitplan und Aufgaben vorgegeben

Mission Control: Hier werden Zeitplan und Aufgaben vorgegeben

Mit einem entspannten Tauchurlaub hat die NEEMO-Mission kaum etwas gemeinsam. Denn wie auf einer echten Raumstation haben die Aquanauten einen strammen Zeitplan und müssen ihre Aufgaben unter allerlei widrigen Bedingungen durchführen. Diese Aufgabe kann das Sammeln von Korallenproben und ihre anschließende Analyse im Bordlabor sein, aber auch der Test von Bohrern und anderen Werkzeugen, die später auf Mond, Mars oder Asteroiden eingesetzt werden sollen. Auch Raumanzüge, Rover und Roboter testen die Aquanauten.

Mission Control antwortet nicht – oder erst später
Vorgegeben und überwacht werden die Arbeiten wie bei Raummissionen üblich vom Kontrollzentrum. Die “Mission Control” an Land teilt die Aquanauten für die Arbeiten ein, plant die Details der Außeneinsätze und Experimente und gibt Feedback und Ratschläge. Allerdings: Auf dem Mars oder einem Asteroiden klappt diese Kommunikation nur mit Verzögerung, denn die Funksignale müssen erst den Weg zur Erde und zurück durchqueren. Eine solche Verzögerung ist daher auch bei NEEMO eingebaut.

Wie gut funktionieren Geräte, Werkzeuge und Handlungsanweisungen im klobigen Anzug und in trägem Milieu?

Wie gut funktionieren Geräte, Werkzeuge und Handlungsanweisungen im klobigen Anzug und in trägem Milieu?

In der aktuellen Mission geht es vor allem darum, Handlungsabläufe und Ausrüstung für künftige Außeneinsätze auf dem Mars zu erproben. Deshalb wird die gesamte Kommunikation mit dem Kontrollzentrum um rund zehn Minuten verzögert – wie es auf dem Roten Planeten auch der Fall wäre. “Eine Herausforderung der Mission besteht darin, trotz dieser Zeitverzögerung effektiv und erfolgreich zu arbeiten”, erklärt NEEMO-Aquanaut D’Agostino.

Durch künstliche Störungen kann das Kontrollzentrum zudem jederzeit testen, wie stark eine unterbrochene oder stark verzögerte Kommunikation die Aquanauten stresst und welche Aktionen dann womöglich gar nicht mehr funktionieren. Wie gut können die Teams dann improvisieren? Und wie wirken sich solche Probleme psychologisch auf die einzelnen Crew-Mitglieder aus?

Funktioniert dieser ferngesteuerte OP-Roboter auch bei zeitverzögerter Signalübertragung?

Funktioniert dieser ferngesteuerte OP-Roboter auch bei zeitverzögerter Signalübertragung?

Ein OP-Roboter auf dem “Mond”
Ausprobiert wurde auch schon, wie dadurch telemedizinische oder telerobotische Prozeduren beeinträchtigt sind. Denn im Falle eines akuten Notfalls, beispielsweise auf einer Mond- oder Marsstation, könnten ferngesteuerte OP-Roboter die Astronauten bei Notoperationen unterstützen. “Bei solchen ferngesteuerten Operationen steuert ein Chirurg einen mehrarmigen Roboter, der den Eingriff vor Ort durchführt”, erklärt Thomas Low vom Stanford Research Institute (SRI).

Damit dies im Weltraum funktioniert, muss der OP-Roboter aber auch bei verzögerten Steuersignalen korrekt und vor allem sicher für den Patienten funktionieren. Wie gut dies funktioniert, testeten die Aquanauten der NEEM 9-Mission. Ihr Patient war ein medizinischer Dummy, der dringend einen Baucheingriff benötigte. Die Aufgabe des OP-Roboters war es unter anderem, Gewebeschnitte durchzuführen und eine Blutader zuzunähen.

Der Haken dabei: Die Aquanauten simulierten eine Mondmission. Alle Signale kamen daher mit zwei bis drei Sekunden Verzögerung an. Jeden Handgriff, den der in Kanada sitzende Chirurg Mehran Anvari an seinem Kontrollsystem durchführte, erhielt der OP-Roboter daher erst nach entsprechender Pause. Aber es gelang: Der Roboter nähte die Vene und der Dummy überlebte. “Diese Mission hat damit eine wichtige Anwendung dieser Roboter-Technologie demonstriert. Sie kann Astronauten bei Raummissionen eine medizinische Notfallversorgung geben”, sagt Low.

Eine Sache der Balance
Mond-Schwerkraft am Meeresgrund
Die Bilder der bizarr umherhüpfenden Apollo-Astronauten demonstrierten es sehr deutlich: Auf dem Mond, dem Mars und erst recht auf Asteroiden herrschen andere Druck- und Schwerkraft-Bedingungen als auf der Erde. So wogen die Astronauten auf dem Mond nur ein Sechstel ihres irdischen Gewichts. Trotz ihrer klobigen Anzüge konnten sie daher geradezu übermenschliche Sprünge machen.

Ausrüstung verladen unter simulierten Mondbedingungen: Was geht, was geht nicht?

Ausrüstung verladen unter simulierten Mondbedingungen: Was geht, was geht nicht?

Zwischen Abheben und Umfallen
Jede Bewegung und jede Kraftanstrengung hat daher auf einem fremden Himmelskörper auch ganz andere Folgen als auf der Erde. Ein Schwung, den wir hier locker ausgleichen können, kann uns auf dem Mond oder Mars komplett aus dem Gleichgewicht bringen und stürzen lassen. Aber auch Technik und Ausrüstung reagieren unter solchen Bedingungen möglicherweise anders. Genau dies lässt sich bei den NEEMO-Missionen testen.

Die Tücke liegt im Detail: Ist die Schwerkraft verringert, dann kann selbst etwas so Alltägliches wie das Besteigen einer Leiter oder das Wiederaufstehen nach einem Sturz zu einer unlösbaren Aufgabe werden. “Ist das Gewicht der Lebenserhaltungssysteme in einem Raumanzug falsch verteilt, dann liegt ein Astronaut wie eine Schildkröte auf dem Rücken und kommt nicht wieder hoch”, erklärt die NASA. “Das kann sein Leben und die gesamte Mission gefährden.”

Verknäulte Leitung
Bei den NEEMO-Missionen wird diese Balance mithilfe spezieller Auftriebsregulatoren getestet. Sie lassen sich an den Tauchanzügen so einstellen, dass sie genau der Schwerkraft auf dem Mond, Mars oder einem Asteroiden entsprechen. Das kann zu ganz unerwarteten Problemen führen: Wie beispielsweise übt man genügend Druck auf einen Bohrer aus, wenn man selbst scheinbar kaum Gewicht hat? Und wie balanciere ich einen verletzten Kollegen oder eine klobige Last, ohne dass ich selbst das Gleichgewicht verliere?

Zieht ein Astronaut seine Versorgungsleitungen hinter sich her, dann kann sich diese

Zieht ein Astronaut seine Versorgungsleitungen hinter sich her, dann kann sich diese “Nabelschnur” bei verringerter Schwerkraft besonders stark verknäulen.

Als einer der Aquanauten bei einem Außeneinsatz ein Erkundungsfahrzeug testete, zog er dabei ein Versorgungskabel hinter sich her – und bekam prompt Schwierigkeiten: “Es ist erstaunlich, wie sehr sich eine 100 Meter lange Versorgungsleitung verknäulen kann”, erzählt er hinterher. “Ohne die volle Schwerkraft ist es gar nicht zu einfach wieder zu entwirren – und das ist etwas, das uns auf dem Mond gut passieren kann.”

Genau dies aber ist es, das die NEEMO-Missionen so wertvoll macht: Astronauten trainieren hier nicht nur Routineaufgaben, sondern auch die Reaktion auf unerwartete Probleme. Wie später im Weltraum müssen sie dabei zu kreativen Lösungen greifen und mit den beschränkten Mitteln improvisieren, die ihnen zur Verfügung stehen.

Unter Druck
Herausforderungen für Technik und Psyche
Aufschlussreich und manchmal überraschend sind auch die Erfahrungen, die die Aquanauten im Unterwasserhabitat machen. Denn hier leben und arbeiten sie nicht nur ähnlich eng und isoliert zusammen wie in einer Raumkapsel, auch die physikalischen Bedingungen sind anders als an der Oberfläche.

ESA-Astronaut Matthias Maurer vor einem Außeneinsatz – noch ohne Helm.

ESA-Astronaut Matthias Maurer vor einem Außeneinsatz – noch ohne Helm.

Wenn die Technik verrückt spielt
Ein Faktor ist der Druck: Damit die Aquanauten nicht bei jedem Tauchgang zeitraubende Pausen zur Kompression und Dekompression einlegen müssen, leben sie gesamte Zeit in erhöhtem Luftdruck. Im Aquarius-Habitat herrscht der gleiche Druck wie umgebenden Wasser – und der ist in 20 Metern Wassertiefe immerhin schon doppelt so hoch wie der normale Luftdruck. Das Blut der Aquanauten hat sich nach rund 20 Stunden an den veränderten Gasdruck in dieser Meerestiefe angepasst.

Für technische Geräte allerdings gilt dies nicht – mit teilweise überraschenden Folgen. So stellten die ersten NEEMO-Aquanauten fest, dass die Festplatten ihrer Computer im Aquarius-Habitat gleich reihenweise versagten. Der Grund: Unter dem erhöhten Druck hoben die schnell rotierenden Festplatten ab und verkanteten sich im Laufwerksgehäuse. Dieses Problem ist inzwischen behoben: Moderne Rechner laufen mit Solid State Festplatten, die keine rotierenden Teile mehr besitzen.

Ein Aquanaut testet ein auf Tablet, Smartphone und Rechner abgestimmtes Kommunikationssystem - schlecht, wenn hier die Touchscreens versagen.

Ein Aquanaut testet ein auf Tablet, Smartphone und Rechner abgestimmtes Kommunikationssystem – schlecht, wenn hier die Touchscreens versagen.

Auch bei den Touchscreens der Computer und Steuergeräte gab es Schwierigkeiten: “Diese Interfaces sind darauf ausgelegt, bei Normalruck zu arbeiten”, erklärt die NASA. “Wenn sich der Luftdruck erhöht, hat dies den gleichen Effekt, als wenn man seine Hand aufs Pad legt und alle Buttons auf einmal klickt.” Dagegen entwickelten die Aquanauten eine ganz pragmatische Lösung: Sie durchstachen mit einer Injektionsnadel die Touchscreen-Oberfläche und sorgten so für Druckausgleich zwischen außen und innen.

Druck auch für die Psyche
Unter erhöhtem Druck stehen die Teilnehmer der NEEMO-Missionen allerdings auch in einem ganz anderen Sinne – mental. “Das Leben im Habitat verursacht in bestimmter Hinsicht psychologischen Stress, der die kognitiven Leistungen und unser psychologisches Wohlbefinden beeinträchtigen kann”, erklärt Aquanaut Dominic D’Agostino.

Aquanaut Dominic D'Agostino (ganz links) testet bei NEEMO-22 eine spezielle Ernährung

Aquanaut Dominic D’Agostino (ganz links) testet bei NEEMO-22 eine spezielle Ernährung

Weil dies bei Raumfahrtmissionen auch der Fall ist, dient NEEMO dazu, die möglichen Folgen dieses Stresses genauer zu erforschen. Die Aquanauten absolvieren dafür regelmäßig eine ganze Batterie psychologischer Tests. Diese prüfen ihre Reaktionsschnelligkeit, Aufmerksamkeit und Wahrnehmung, aber auch Gedächtnis und Stimmungslage.

Für D’Agostino könnten einige dieser Tests besonders schwer werden. Denn er dient gleichzeitig als Versuchskaninchen für eine spezielle Art der Astronauten-Nahrung. Diese ist so zusammengesetzt, dass sie dem Körper keinen Zucker und so gut wie keine Kohlenhydrate liefert. Dadurch ist der Organismus gezwungen, auf Fettverbrennung umzustellen, die sogenannte Ketose.

Wie sich dies auf die kognitiven und körperlichen Leistungen des Aquanauten auswirkt, soll NEEMO-22 zeigen. Weil die anderen Teammitglieder die gleichen Aufgaben wie D’Agostino erfüllen, aber normale Nahrung bekommen, können Forscher die Diät-Effekte direkt vergleichen.

Quelle: Scinexx.de

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