Experiment MOTOMIR (MYO-MOTOSCAN)

Auf der Erde lebt der Mensch von Geburt an unter den Bedingungen der terrestrischen Schwerkraft. Das Wegfallen dieses essentiellen Umweltfaktors bewirkt Veränderungen in beinahe allen Systemen des menschlichen Organismus. So kommt es bei Raumflügen auf Grund der funktionellen Minderbelastung der Muskulatur zu einer zellstrukturbedingten Rückbildung in Form einer Abnahme der Muskelmasse, des Muskelfaserquerschnittes, der realisierbaren Kraft und auch ihrer Ausdauerleistungsfähigkeit. Die meisten dieser, während und nach Raumflügen gefundenen Veränderungen sind gut vergleichbar mit jenen Adaptationen, die man bei Sportlern und Normalpersonen in Phasen von Inaktivität oder Ruhigstellung findet. Diese Tatsache lässt Erkenntnisse der Raumfahrtphysiologie auch für viele andere medizinische Sparten, wie beispielsweise die Präventions – und Rehabilitationsmedizin, die Intensivmedizin, die geriatrische Medizin bis hin zur Sportmedizin äußerst interessant erscheinen. Die Raumfahrtmedizin ermöglicht es in einzigartiger Weise Abbaugeschwindigkeiten und das Ausmaß von katabolen Prozessen von Muskel- und Knochensubstanz, sowie den kardiovaskulären Leistungsabfall und funktionelle Veränderungen bei fast völliger Körpergewichtsentlastung zu untersuchen und Strategien zu entwickeln, um diesen deadaptiven Veränderungen entgegen zu wirken.

Mit dem Dynamometer „MOTOMIR“, welches im Rahmen des Österreichisch – Sowjetischen Projektes „AUSTROMIR-91“ entwickelt wurde, war es im Experiment „MYO-MOTOSCAN“ erstmals möglich eine Verminderung der Muskelkraft zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Langzeitraumfluges zu dokumentieren und damit Rückschlüsse über die Effizienz der an Bord der Raumstation MIR durchgeführten Trainingsmaßnahmen zu geben. Dies ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil eine Verminderung der Leistungsfähigkeit das Risiko erhöht, den oft sehr komplexen Aufgaben einer Weltraummission nicht gewachsen zu sein und das Leben anderer Mannschaftsmitglieder gefährden kann.

Forschungsziel

Stellte sich zu Beginn des Raumfahrtzeitalters die Frage, ob ein bemannter Raumflug überhaupt möglich sein würde, so stellt sich heute die Frage was zu tun ist, damit Raumfahrer vor allem nach Langzeitaufenthalten, wieder gesund und leistungsfähig zur Erde zurückkehren können. In diesem Zusammenhang ergaben sich für das Projekt MYO-MOTOSCAN im Rahmen des Projektes RLF folgende vier Forschungsziele:
  • Nichtinvasive Diagnostik der Maximalkraft und Kraftausdauerfähigkeit unterschiedlicher Muskelgruppen während und nach einem Langzeitaufenthalt im Weltraum und damit Bestimmung des aktuellen Leistungszustandes bzw. von Komponenten des Leistungszustandes von Kosmonauten vor, während und nach dem Raumflug.
  • Erforschung der Auswirkung des Mikrogravitationseinflusses auf unterschiedliche muskuläre Aktionsformen (Isometrie, Konzentrik, Exzentrik).
  • Quantifizierung des Zeitverlaufs und des Ausmaßes deadaptiver Veränderungen der Muskelkraft während eines Langzeitraumfluges.
  • Untersuchung des Einflusses von Krafttraining mit dem Dynamometer Motomir zur Verminderung bzw. Verhinderung muskulärer Defizite der oberen und unteren Extremitäten während eines Langzeitraumfluges.
Funktionsweise, Meßprinzip

Beim Dynamometer MOTOMIR handelt es sich um ein mit zwei Elektromotoren betriebenes, computergesteuertes Gerät, welches die Diagnose und das Training der Muskelkraft im Weltraum ermöglicht. Dazu wird die Geschwindigkeit über einen gewählten Bewegungsumfang (Encoder) während konzentrische bzw. exzentrische Arbeitsweise apparativ konstant gehalten, bzw. die Aktoren auf welche der Kosmonaut mit den Füssen oder Händen Kraft ausübt in einem definierten Gelenkwinkel fixiert (Isometrie). Die so auf die Aktoren ausgeübte Kraft wird mittels einer Dehnmessstreifenbrücke erfasst und synchron mit EMG Daten von vier Muskeln über die MONIMIR-Box zur Datenspeicherung in DATAMIR weitergeleitet. Vor jedem Test wird das Gerät elektronische kalibriert, sowie ein Schwerkraftausgleich durchgeführt.

Die Testanweisungen wird dem Kosmonauten mittels Laptop Computer vorgegeben. Um eine Vergleichbarkeit zu ermöglichen wurde der Testablauf (12 Programme) inklusive Belastungs- und Erholungszeiten vor, während und nach dem Flug konstant gehalten.

Die Masse des aus Titan gefertigten Flugmodells MOTOMIR inklusive Sattel betrug 47,2 kg, bei Abmessungen von 1210 mm x 626 mm x 470mm. Der Bewegungsumfang der Aktoren betrug maximal 450 mm, die Geschwindigkeit der Aktoren konnte in einen Bereich zwischen 0 und 600 mm/sek. gewählt werden. Motor: Bürstenloser Gleichstrommotor ausgelegt für Bordstromversorgung von 23-25 Volt.

Mitverwendete Apparaturen der österreichischen Nutzlast

DATAMIR, MONIMIR

Ergebnisse

Nachfluguntersuchung (Armarbeit) am Dynamometer MOTOMIR bei Kosmonaut Viktorenko vier Tage nach dessen RLF Mission. Photo: Univ.-Ass. Univ.-Prof. Mag. Dr. Harald Tschan, Wien Von Langzeitmissionen wurden Ergebnisse von 8 Kosmonauten (2 Hauptmannschaft 10 bzw. 11, sowie 6 Hauptmannschaft 15-17 = RLF) vor, während (zu verschiedenen Zeitpunkten bis zu 14 Untersuchungen) und 4 bzw. 6 Tage nach dem Flug gewonnen und mittels spezieller Analysesoftware (NOVA AEROSPACE) ausgewertet.

Synopsis der Ergebnisse:
  • In der Mikrogravitation kommt es sehr rasch zu einer signifikanten Verminderung der Kraft jener Muskulatur, die unter terrestrischen Bedingungen gegen die Schwerkraft arbeitet. So beträgt die Kraftabnahme der Beinstreckmuskulatur nach einer Aufenthaltsdauer von einem Monat durchschnittlich 43,0%, jene der Beinbeugemuskulatur 30,2%.
  • Die Kraftabnahme der Arme ist dagegen wesentlich geringer ausgeprägt und beträgt bei Extensoren und Flexoren jeweils durchschnittlich 10%.
  • Die Kraftabnahme ist sowohl bei den unteren wie oberen Nachfluguntersuchung (Beinarbeit) am Dynamometer MOTOMIR bei Kosmonaut Dr. Poljakov vier Tage nach dessen RLF Mission. Photo: Univ.-Ass. Univ.-Prof. Mag. Dr. Harald Tschan, Wien Extremitäten in allen muskulären Aktionsformen (Isometrie, Konzentik, Exzentrik) gleich stark ausgeprägt.
  • Nach einem Zeitraum von 3-4 Wochen hat sich der Organismus seiner neuen physikalischen Umwelt weitgehend angepasst. Ein neues Kraftniveau (neue Homeostase) entwickelt sich.
  • Obwohl die Kraftverminderung nach einem Zeitraum von 3-4 Wochen bei allen Kosmonauten etwa gleich stark ausgeprägt sind, zeigen sich in der verbleibenden Flugdauer eines Langzeitfluges deutliche interpersonelle Unterschiede, die möglicherweise auf die unterschiedlich durchgeführten Trainingsmaßnahmen (exercise countermeasures) zurückzuführen sind.
  • Mit einer Trainingsstudie eines Langzeitkosmonauten (175 Tage – single case study) konnte erstmals gezeigt werden, dass auch während eines Langzeitraunfluges eine muskuläre Dekonditionierung verhindert werden kann, wenn entsprechend häufig hohe Krafttrainingsreize gesetzt werden.
  • Während seines Weltrekordfluges von 437 Tagen konnte Valerij Polyakov zeigen, dass es bei konsequenter Durchführung entsprechender Trainingsmaßnahmen möglich ist den Kraftverlust in vertretbaren Grenzen zu halten.
Technische Daten

Die Apparatur MOTOMIR bestand aus folgenden Einheiten

Elektrischer Prinzipschaltplan des Projekts MOTOMIR. Grafik: BMBWK, Wien

Ergometer MOTOMIR inklusive Ausrüstungs- und Reserveteile
  • Ergometer MOTOMIR
  • Kabel MOT1
  • Kabel MOT2
  • Bruststütze für Armarbeit
  • Schuhe mit Fixierung für Beinarbeit
  • Mechanisches Interface MOTOMIR - MIR
  • Universalschlüssel
  • Transportschutzhülle
Masse: 47,2 kg
Abmessungen: 1210 mm x 626 mm x 470 mm
Leistungsaufnahme: max. 760 W
2200 W Impulsmaximalwert

Experimentatoren

Medizin:
Univ.-Prof. Dr. Norbert Bachl (Wissenschaftliche Leitung)
Univ.-Ass. Univ.-Prof. Mag. Dr. Harald Tschan
Univ.-Prof. Dr. Ramon Baron
alle: Zentrum für Sportwissenschaften und Universitätssport, Abt. Sport- und Leistungsphysiologie, Universität Wien

Technik:
Dr. Harald Stockhammer (Projektverantwortlicher, Software)
alle: Fa. FDP, Fanak Data Processing Datenverarbeitung Ges.m.b.H., Wien
Dipl.-Ing. Dr. Massud Mossaheb
alle: Firma NOVA AEROSPACE

Subauftragnehmer:
Ing. Walter Bumba (Hardware)
Werner Weihs-Sedivy, MSc
Ing. Christian Wieland
Ing. Michael Smutka
Ing. Werner Fuchs
alle: Fa. Ing. Walter Bumba, Wien

Prof. Dr. Inessa Benediktina Koslovskaja
Dr. N. M. Kharitonov
Dr. Yu. Koryak
alle: IMBP (Institut für Biomedizinische Probleme), Moskau