Wie Funktioniert Die Schwerelosigkeit?

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Während die astronauten der internationalen raumstation nach einem dreimonatigen aufenthalt auf die erde zurückkehren, erfahren sie mehr über die auswirkungen der schwerelosigkeit auf den körper.

Wir haben oft Bilder von Astronauten gesehen, die in der Raumfähre, der Internationalen Raumstation I oder Mir herumschwebten. Die Schwerelosigkeit sieht zwar nach Spaß aus, stellt jedoch hohe Anforderungen an Ihren Körper. Anfangs fühlen Sie sich schlecht, schwindelig und desorientiert. Ihr Kopf und Ihre Nebenhöhlen schwellen an und Ihre Beine schrumpfen. Langfristig werden Ihre Muskeln schwächer und Ihre Knochen werden brüchig. Diese Auswirkungen auf Ihren Körper können auf einer langen Reise, beispielsweise bei einer Reise zum Mars, schwere Schäden verursachen.

In dieser Ausgabe von Wie Dinge funktionierenWir nehmen Sie mit auf eine ausgedehnte Reise an Bord der Internationalen Raumstation, wo wir untersuchen, was Schwerelosigkeit ist, was mit Ihrem Körper passiert, wie diese Veränderungen zustande kommen und was getan werden kann, um diese nachteiligen Auswirkungen zu verhindern oder aufzuheben.

Begegnung mit der Mikrogravitation

Wie funktioniert die Schwerelosigkeit?: werden

Stellen Sie sich vor, Sie sind in Ihrem Raumanzug gekleidet und liegen auf dem Rücken im Flugdeck des Space Shuttles. Sie waren mehrere Stunden auf dem Rücken im Stuhl, als die Piloten und die Missionskontrolle die Startvorbereitungen vor dem Flug durchlaufen haben. Normalerweise zieht die Schwerkraft, wenn Sie aufrecht stehen, das Blut nach unten, sodass es sich in den Venen Ihrer Beine sammelt. Da Sie jedoch auf dem Rücken liegen, wird das Blut in Ihrem Körper unterschiedlich verteilt und verlagert sich leicht in Richtung Kopf, da Ihre Füße angehoben sind. Ihr Kopf kann sich etwas stickig anfühlen, ähnlich wie nachts, wenn Sie schlafen.

Die Raketentriebwerke feuern und Sie spüren die Beschleunigung. Sie werden in den Sitz zurückgedrängt, während das Shuttle aufsteigt. Sie fühlen sich schwer, wenn die Beschleunigungskräfte des Shuttles auf das Dreifache der normalen Schwerkraft ansteigen (einige Achterbahnfahrten können dieses Beschleunigungsniveau erreichen). Ihre Brust fühlt sich zusammengedrückt an und Sie haben möglicherweise Schwierigkeiten beim Atmen. In etwa achteinhalb Minuten sind Sie im Weltraum und erleben ein völlig anderes Gefühl: Schwerelosigkeit.

Schwerelosigkeit wird richtiger genannt Mikrogravitation. Sie sind eigentlich nicht schwerelos, weil die Schwerkraft der Erde Sie und alles im Shuttle in der Umlaufbahn hält. Sie befinden sich tatsächlich in einem Zustand von freier FallÄhnlich wie beim Springen aus einem Flugzeug, außer dass Sie sich so schnell horizontal bewegen (5 Meilen pro Sekunde oder 8 Kilometer pro Sekunde), dass Sie beim Fallen niemals den Boden berühren, da sich die Erde von Ihnen weg krümmt. Es ist so: Wenn Sie auf einer Personenwaage stehen, misst sie Ihr Gewicht, da die Schwerkraft Sie und die Waage nach unten zieht. Da die Waage auf dem Boden ruht, drückt sie mit gleicher Kraft auf Sie - diese gleiche Kraft ist Ihr Gewicht. Wenn Sie jedoch auf einer Personenwaage von einer Klippe springen, würden sowohl Sie als auch die Waage durch die Schwerkraft gleichmäßig nach unten gezogen. Sie würden nicht auf die Waage drücken und es würde sich nicht gegen Sie drücken. Daher würde Ihr Gewicht null sein.

Wie funktioniert die Schwerelosigkeit?: funktioniert

Wie funktioniert die Schwerelosigkeit?: funktioniert

Wie funktioniert die Schwerelosigkeit?: funktioniert

Da der Shuttle und alle darin befindlichen Gegenstände mit der gleichen Geschwindigkeit um die Welt fallen, schwimmt alles im Shuttle, das nicht gesichert ist. Wenn Sie lange Haare haben, schwimmt es um Ihr Gesicht. Wenn Sie ein Glas Wasser ausschütten, wird ein großer, kugelförmiger Tropfen angenommen, den Sie in einzelne, kleinere Tropfen aufteilen können (Informationen zu Flüssigkeit finden Sie auf dieser Seite.) Oberflächenspannung). Lebensmittel und Süßigkeiten schweben sanft zu Ihrem Mund, wenn Sie sie in diese Richtung drücken. Wenn Sie auf Ihrem Sitz sitzen, haben Sie kein Gefühl, dass Sie sitzen, weil Ihr Körper nicht gegen den Sitz drückt. Wenn Sie nicht an etwas gesichert sind, schweben Sie. Wenn Sie eine Wand oder einen Hand- / Fußhalt nicht erreichen können, können Sie sich auch nicht von Ihrer Position bewegen, da Sie nichts dagegen drücken können. Aus diesem Grund hat die NASA viele Rückhaltesysteme, Handgriffe und Fußgriffe in der Kabine des Shuttles angebracht.

Newtons drittes Gesetz

"Für jede Aktion gibt es eine entgegengesetzte, aber gleiche Reaktion."

Um sich in einer beliebigen Richtung in der Schwerelosigkeit zu bewegen, müssen Sie gegen etwas drücken, damit es in die entgegengesetzte Richtung gegen Sie drücken kann. Darüber hinaus muss das, was Sie vorantreiben, entweder verankert oder massiver sein als Sie, z. B. die Wand des Shuttles.

Wie Sie sich in der Schwerelosigkeit fühlen

Astronautengeschichte Musgrave auf der Erde (links) und im Orbit (rechts). Sie können die Schwellungen um seine Augen und Wangen sehen, die durch die Schwerelosigkeit verursacht werden.

Astronautengeschichte Musgrave auf der Erde (links) und im Orbit (rechts). Sie können die Schwellungen um seine Augen und Wangen sehen, die durch die Schwerelosigkeit verursacht werden.

Wenn Sie zum ersten Mal auf die Schwerelosigkeit treffen, haben Sie folgende Gefühle:

  • Übelkeit
  • Orientierungslosigkeit
  • Kopfschmerzen
  • Verlust von Appetit
  • Überlastung

Je länger Sie sich in der Schwerelosigkeit befinden, desto schwächer werden Ihre Muskeln und Knochen.

Diese Empfindungen werden durch Veränderungen in verschiedenen Körpersystemen verursacht. Schauen wir uns genauer an, wie Ihr Körper reagiert.

Leerzeichen

Die Übelkeit und Desorientierung, die Sie fühlen, ist wie ein Sinken im Magen, wenn Ihr Auto in die Straße eintaucht oder Sie einen Achterbahnfahrt verspüren, nur Sie haben dieses Gefühl mehrere Tage lang. Das ist das Gefühl der Weltraumkrankheit oder Weltraum-BewegungskrankheitDies wird durch widersprüchliche Informationen verursacht, die Ihr Gehirn von Ihren Augen und den vestibulären Organen in Ihrem Innenohr erhält. Ihre Augen können sehen, welcher Weg sich im Shuttle auf und ab befindet.Da Ihr vestibuläres System sich jedoch auf die nach unten gerichtete Zugkraft der Schwerkraft stützt, um Ihnen mitzuteilen, in welche Richtung Sie nach oben und nach unten gehen und in welche Richtung Sie sich bewegen, funktioniert es nicht in der Schwerelosigkeit. So können Ihre Augen Ihrem Gehirn sagen, dass Sie auf dem Kopf stehen, aber Ihr Gehirn erhält keine interpretierbaren Informationen von Ihren Vestibularorganen. Ihr verwirrtes Gehirn führt zu Übelkeit und Orientierungslosigkeit, die zu Erbrechen und Appetitlosigkeit führen können. Glücklicherweise passt sich Ihr Gehirn nach ein paar Tagen an die Situation an, indem Sie sich ausschließlich auf die visuellen Eingaben verlassen, und Sie fühlen sich besser. Die NASA hat Medikamentenpflaster herausgegeben, um Astronauten dabei zu unterstützen, mit der Übelkeit umzugehen, bis sich ihr Körper anpasst.

Geschwollene Gesicht und Vogelbeine

In der Mikrogravitation fühlt sich Ihr Gesicht voll an, und Ihre Nebenhöhlen fühlen sich verstopft an, was zu Kopfschmerzen und zur Erkrankung der Weltraumbewegungen beitragen kann. Sie fühlen sich auf der Erde genauso, wenn Sie sich bücken oder verkehrt herum stehen, weil Blut in Ihren Kopf stürzt.

Dieser Inhalt ist auf diesem Gerät nicht kompatibel.

Verschiebt sich in Ihrem Blut und Ihren Körperflüssigkeiten, wenn Sie der Schwerkraft ausgesetzt werden

Auf der Erde zieht die Schwerkraft Ihr Blut an, wodurch sich beträchtliche Mengen in den Venen Ihrer Beine ansammeln. Sobald Sie auf die Schwerelosigkeit stoßen, wandert das Blut von Ihren Beinen in die Brust und in den Kopf. Ihr Gesicht neigt dazu, geschwollen zu werden, und Ihre Nebenhöhlen schwellen an, wie unten gezeigt. Die Flüssigkeitsverschiebung schrumpft auch die Größe Ihrer Beine.

Wenn sich das Blut zur Brust hin verlagert, wird Ihr Herz größer und pumpt mit jedem Schlag mehr Blut. Ihre Nieren reagieren auf diesen erhöhten Blutfluss, indem sie mehr Urin produzieren, ähnlich wie nach dem Trinken eines großen Glases Wasser. Darüber hinaus verringert die Zunahme von Blut und Flüssigkeit die Sekretion des Anti-Diuretikum-Hormons (ADH) durch die Hypophyse, wodurch Sie weniger durstig werden. Deshalb trinkst du nicht so viel Wasser, wie du vielleicht auf der Erde magst. Insgesamt helfen diese beiden Faktoren dabei, Brust und Kopf von der überschüssigen Flüssigkeit zu befreien, und in wenigen Tagen sind die Flüssigkeitsniveaus Ihres Körpers niedriger als auf der Erde. Obwohl Sie immer noch einen leicht geschwollenen Kopf und verstopfte Nebenhöhlen haben, ist es nach den ersten Tagen nicht so schlimm. Bei Ihrer Rückkehr zur Erde zieht die Schwerkraft diese Flüssigkeiten zurück zu den Beinen und vom Kopf weg, wodurch Sie sich beim Aufstehen ohnmächtig fühlen. Aber Sie werden auch anfangen, mehr zu trinken, und Ihre Flüssigkeitsmenge wird sich innerhalb weniger Tage normalisieren.

Weltraumanämie

Wenn Ihre Nieren die überschüssige Flüssigkeit eliminieren, verringern sie auch die Sekretion von Erythropoetin, einem Hormon, das die Produktion von roten Blutkörperchen durch Knochenmarkzellen stimuliert. Die Abnahme der Produktion roter Blutkörperchen stimmt mit der Abnahme des Plasmavolumens überein, so dass die Hämatokrit (Prozentsatz des von roten Blutkörperchen besetzten Blutvolumens) ist der gleiche wie auf der Erde. Wenn Sie zur Erde zurückkehren, steigen Ihre Erythropoietin-Spiegel und Ihre roten Blutkörperchen an.

Schwache Muskeln

Wenn Sie sich in der Schwerelosigkeit befinden, nimmt Ihr Körper eine "fötale" Haltung ein - Sie kauern sich leicht, Ihre Arme und Beine sind halb vor Ihnen gebeugt. In dieser Position verwenden Sie nicht viele Ihrer Muskeln, insbesondere die Muskeln, die Ihnen helfen, Ihre Haltung zu halten (Anti-Schwerkraft-Muskeln). Wenn sich Ihr Aufenthalt an Bord der Internationalen Raumstation verlängert, verändern sich Ihre Muskeln. Die Masse Ihrer Muskeln nimmt ab, was zum Aussehen des "Vogelbeines" beiträgt. Die Muskelfasertypen ändern sich von langsam zu schnell zu schnell. Ihr Körper braucht nicht länger langsam zuckende Ausdauerfasern, wie sie beispielsweise beim Stehen verwendet werden. Stattdessen werden schnellere Twitch-Fasern benötigt, wenn Sie sich schnell von den Oberflächen der Raumstation entfernen. Je länger Sie auf der Station bleiben, desto weniger Muskelmasse haben Sie. Dieser Verlust an Muskelmasse macht Sie schwächer und bietet Probleme bei Langzeitflügen und bei der Rückkehr zur Schwerkraft der Erde.

Brüchige Knochen

Auf der Erde tragen Ihre Knochen das Gewicht Ihres Körpers. Die Größe und Masse Ihrer Knochen wird durch die Geschwindigkeit ausgeglichen, mit der bestimmte Knochenzellen (Osteoblasten) legen Sie neue Mineralschichten und andere Zellen (Osteoklasten) diese Mineralschichten zerkauen. In der Schwerelosigkeit brauchen Ihre Knochen Ihren Körper nicht zu stützen. Daher werden alle Ihre Knochen, insbesondere die tragenden Knochen in Hüften, Oberschenkeln und im unteren Rückenbereich, viel weniger verwendet als auf der Erde. In diesen Knochen ist die Rate, mit der Ihre Osteoblasten neue Knochenschichten ablagern, reduziert (niemand weiß genau, warum, obwohl angenommen wird, dass Änderungen der Kraft und Belastung irgendwie involviert sind), während die Geschwindigkeit, mit der Osteoklasten den Knochen auffressen, gleich bleibt. Das Ergebnis ist, dass die Größe und Masse dieser Knochen weiter abnimmt, solange Sie sich in der Schwerelosigkeit befinden, mit einer Rate von etwa 1 Prozent pro Monat. Diese Veränderungen in der Knochenmasse machen Ihre Knochen schwach und brechen bei Ihrer Rückkehr zur Schwerkraft der Erde mit höherer Wahrscheinlichkeit. Es ist nicht bekannt, wie viel des Knochenverlusts bei der Rückkehr zur Erde wiederhergestellt werden kann, obwohl er wahrscheinlich nicht zu 100 Prozent ausreicht. Diese Knochenveränderungen können die Dauer von Weltraumflügen einschränken. In diesem Bereich ist weitere Forschung erforderlich.

Zusätzlich zu den schwachen Knochen steigt die Calciumkonzentration im Blut leicht an, wenn Ihre Knochen von Osteoklasten aufgefressen werden. Ihre Nieren müssen das überschüssige Kalzium entfernen, wodurch sie empfindliche Nierensteine ​​bilden können.

Mehr wissen

Gegenmaßnahmen

Wie funktioniert die Schwerelosigkeit?: werden

Was kann getan werden, um Ihnen beim Umgang mit der Mikrogravitation zu helfen? In Bezug auf nicht lebende Gegenstände muss jedes Objekt im Shuttle oder in der Raumstation in Schließfächern verstaut, festgeschnallt oder mit Klettverschluss an der Wand befestigt werden.

Wie funktioniert die Schwerelosigkeit?: funktioniert

Wenn Sie beispielsweise eine Mahlzeit in der Schwerelosigkeit essen, müssen Sie mit Trittflächen am Shuttle festgehalten werden, und Ihr Essensfach wird mit einem Gurt an Ihnen befestigt.Ihre Nahrung neigt zu klebrigen oder pastösen Formen wie Reis oder Erdnussbutter, so dass sie nicht wegschwimmt. Wenn Sie sich an einem Arbeitsplatz befinden, verwenden Sie Riemen und Tritte, um sich zurückzuhalten. Tragbare Geräte, wie z. B. ein Laptop, werden entweder an Sie (wie oben gezeigt), an ein Gerätegestell oder an die Wand des Raumfahrzeugs gebunden.

Was können Sie für all diese Veränderungen in Ihrem Körper während Ihres Aufenthalts an Bord der Internationalen Raumstation ISS tun, um gesund zu bleiben, insbesondere nach Ihrer Rückkehr zur Erde? Denken Sie daran, dass wir uns hauptsächlich mit drei Änderungen befassen müssen:

  • Flüssigkeitsverlust
  • Verlust von Muskelgewebe
  • Verlust der Knochenmasse

Flüssigkeitsverlust

Eine Gegenmaßnahme zum Umgang mit Flüssigkeitsverlust ist die genannte Vorrichtung Unterkörperunterdruck (LBNP), die einen Staubsauger-ähnlichen Unterdruck unterhalb der Taille ausübt, um Flüssigkeiten in den Beinen zu halten. Dieses Gerät kann an einem Trainingsgerät wie einem Laufband befestigt sein. Sie können 30 Minuten pro Tag im LBNP verbringen, um Ihr Kreislaufsystem in erdnaher Umgebung zu halten.

Wie funktioniert die Schwerelosigkeit?: werden

Test des LBNP-Geräts

Kurz vor Ihrer Rückkehr zur Erde können Sie auch große Mengen Wasser oder Elektrolytlösungen trinken, um die verloren gegangenen Flüssigkeiten zu ersetzen. Dies kann verhindern, dass Sie in Ohnmacht fallen, wenn Sie aufstehen und aus dem Shuttle steigen.

Verschlechterung der Muskeln und Knochen

Die NASA und die russische Weltraumorganisation haben festgestellt, dass der beste Weg, den Verlust von Muskeln und Knochen im Weltraum zu minimieren, darin besteht, häufig zu trainieren. Dies trainiert Ihre Muskeln, verhindert deren Verschlechterung und belastet Ihre Knochen, um ein Gefühl zu erzeugen, das dem Gewicht ähnlich ist. Sie trainieren täglich bis zu zwei Stunden auf verschiedenen Geräten (Laufband, Rudergerät, Fahrrad). Sie müssen während Ihres Trainings zurückgehalten werden, normalerweise durch spannungserzeugende Gurte wie Bungee-Cords, die Sie an der Maschine halten.

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Wie funktioniert die Schwerelosigkeit?: Schwerelosigkeit

Wie funktioniert die Schwerelosigkeit?: werden

Es muss noch viel weiter geforscht werden, um Gegenmaßnahmen gegen die Veränderungen der Mikrogravitation des Körpers zu entwickeln. Diese Forschung muss sowohl am Boden als auch im Weltraum - an Bord der Internationalen Raumstation - mit Menschen und Tieren durchgeführt werden. Die Ergebnisse dieser Forschungen werden dazu beitragen, die Gesundheit von Astronauten zu verbessern und den Weg für eine langfristige Erkundung des Weltraums wie etwa eine Reise zum Mars zu ebnen.

Wie man die Schwerkraft auf der Erde simuliert

Hier einige menschliche und tierische Modelle zur Simulation und Untersuchung der Schwerelosigkeit auf der Erde:

  • Kopf nach unten neigen - Eine Person liegt auf einem Bett, das etwa fünf Grad von der Horizontalen nach unten geneigt ist. Die Neigung reproduziert die Verschiebung von Körperflüssigkeiten nach oben, die in der Schwerelosigkeit auftreten. Darüber hinaus werden tragende Knochen und Muskeln nicht verwendet und verschlechtern sich oder atrophieren, wie dies bei Astronauten in der Schwerelosigkeit der Fall ist.
  • Eintauchen in Schwimmbäder - Legen Sie ein Motiv für längere Zeit in ein warmes Wasserbecken. Der Auftrieb des Wassers führt zu Flüssigkeitsverschiebungen und entlastet die tragenden Knochen und Muskeln wie in der Schwerelosigkeit.
  • Schwanz suspendierte Ratten - Ratten werden über längere Zeit mit dem Schwanz nach unten in Käfigen aufgehängt. Die Neigung reproduziert die Verschiebung der Flüssigkeiten nach oben und die Inaktivität der Hinterbeine reproduziert die Verschlechterung der Muskeln und Knochen.
  • KC-135 "Vomit Comet" - Fahren Sie ein Flugzeug durch eine Reihe von Parabelflugbahnen (Parabelflugzeuge) auf und ab, die jeweils kurze Zeiträume (jeweils 30 Sekunden) der Schwerelosigkeit erreichen. Die NASA verwendet diese Technik im Astronautentraining und hat sie sogar für studentische Forschungsprojekte zur Verfügung gestellt.

Wie Sie Position und Bewegung wahrnehmen

Vestibularorgane

Vestibularorgane

Orientierung und Bewegung werden mit Hilfe von erkannt vestibuläres System, die sich im oberen Teil des Innenohrs befindet.

So spürt das Vestibularsystem Orientierung in Bezug auf die Schwerkraft: Es hat otolithische Organe Dies enthält Kristalle von Kalziumkarbonat (Kreide). Die Kristalle sind an gebunden haarähnliche sensorische Nervenzellen in verschiedenen Orientierungen (x-, y- und z-Achse).

  1. Wenn Sie Ihren Kopf in verschiedene Richtungen beugen (vorwärts, rückwärts, seitwärts), zieht die Schwerkraft die Kristalle in Richtung der Zugrichtung.
  2. Die betroffenen Kristalle regen die angehängten Haarzellen an, Nervenimpulse an das Gehirn zu senden.
  3. Das Gehirn interpretiert diese Signale, um herauszufinden, wie der Kopf im Raum ausgerichtet ist.

So spürt das Vestibularsystem Bewegung: Dort sind drei halbrunde Kanäle speziell für die Bewegungserkennung Beschleunigung. Sie sind rechtwinklig zueinander ausgerichtet und liegen jeweils in einer der drei Richtungen (x-, y- oder z-Achse). Sie enthalten Flüssigkeit genannt Endolymphe und haarähnliche sensorische Nervenzellen.

  1. Wenn Ihr Kopf in eine bestimmte Richtung beschleunigt, bleibt die Endolymphe aufgrund ihres anfänglichen Widerstands gegen Bewegungsänderungen zurück (Trägheit).
  2. Die nacheilende Endolymphe stimuliert die entsprechenden Haarzellen, um Nervensignale an das Gehirn zu senden.
  3. Das Gehirn interpretiert sie, um herauszufinden, in welche Richtung sich der Kopf bewegt hat.
  • Wie Raumanzüge funktionieren
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