Sächsische Atemsensoren für den Fitness-Check im All

Raumfahrer sind im All extremen körperlichen Belastungen ausgesetzt. Der kontinuierlichen Überprüfung ihres Gesundheitszustandes gilt deshalb oberste Priorität, erst recht bei Langzeitaufenthalten auf der Internationalen Raumstation ISS oder bei künftigen interplanetaren Raumflügen.
Für den Fitness-Check im All benötigt man technisch hoch entwickelte Systeme. Sie sollten klein, kompakt und bedienfreundlich sein und dabei jene Messungen sowie Analysen erlauben, die auf der Erde normalerweise in großen Laboren mit schwerem Gerät durchgeführt werden.
Die Lösung kommt aus Dresden: Wissenschaftler des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der Technischen Universität (TU) Dresden haben Atemgas-Sensoren entwickelt. Sie sind ein Meisterwerk der Miniaturisierung. Die ESA unterstützt die Arbeit des Dresdner Teams im Rahmen ihres „Programms für angewandte Forschungen unter Schwerelosigkeit“ (MAP).

Aus dem Weltraum auf die Erde

Ursprünglich entwickelte und baute das Team um Prof. Stefanos Fasoulas Minisensoren, die Sauerstoff und Kohlendioxid im Vakuum erfassen sollen. Sie können im erdnahen Orbit – mehrere hundert Kilometer über der Erdoberfläche – Reste der Erdatmosphäre „erschnüffeln“. Die Dresdner Hightech-Sensoren sind sogar in der Lage, einzelne Sauerstoffatome aufzuspüren.
Natürlich dachten die Wissenschaftler auch über terrestrische Anwendungsmöglichkeiten nach. „Wir haben dann festgestellt“, so Fasoulas, „dass sich unsere Sensoren auch zur Atemgasanalyse einsetzen lassen, beispielsweise zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit von Spitzensportlern oder zur Überwachung von Patienten in der Intensivmedizin. Unser Atemgasanalysator kann aber auch für Lungenfunktionsanalysen mit anschließender Medikation in der Asthmabehandlung oder zur Beobachtung der Belastbarkeit von Patienten nach Herz- und Lungentransplantationen genutzt werden.“
Außerdem könnten Patienten den Analyse-Winzling bei Bedarf mit nach Hause nehmen, um ihre Atemfunktion kontinuierlich zu überprüfen oder die Einnahme von Medikamenten über die Lunge zu optimieren. Aber auch in der Umwelttechnik, der Vakuumtechnik und der Mess- und Regeltechnik finden sich Anwendungsbereiche für die Mini-Sensoren aus Dresden.

Hightech-Nasen im Streichholzformat

„Interessanterweise stellten wir bei den Überlegungen zu terrestrischen Anwendungen fest, dass auch in der bemannten Raumfahrt und besonders auf der ISS Bedarf für einen kleinen, leichten und tragbaren Atemgasanalysator besteht. Mit einem derartigen Gerät kann der Gesundheitszustand der Astronauten überwacht werden. Vor allem können wir untersuchen, wie sich die Atmung des Raumfahrers unter Schwerelosigkeit verhält“, erläutert Fasoulas.
Über die terrestrischen Anwendungskonzepte ergab sich also eine neue Anwendung in der Raumfahrt, an die zunächst niemand gedacht hatte. Für den neuen All-Einsatz der Space-Sensoren müssen diese allerdings noch weiter miniaturisiert werden.
Hierfür entwickelten die Dresdner ein spezielles Siebdruckverfahren. Es erlaubt den Druck hauchzarter Strukturen von nur wenigen tausendstel Millimetern Dicke, die dann im Ofen gebrannt – und anschließend aufgetragen – werden. Ein fertiger streichholzgroßer Sensor kann so aus bis zu 14 verschiedenen Schichten von Edelmetallen und Keramiken bestehen.
Wie funktioniert nun dieses Wunderding? Mit einer kleinen Heizspirale an der Unterseite wird die Sensorspitze auf mehr als 500 ºC erhitzt. Die Spezialkeramiken stellen Festkörperelektrolyte dar, die bei diesen Temperaturen Ionen, d.h. geladene Gasteilchen, passieren lassen. Dieser Teilchenfluss ist messbar. „Wir können so einzelne Sauerstoff-Ionen zählen. Das Signal, das durch den Elektrolyten geleitet wird, ist proportional zur Sauerstoffkonzentration in der Umgebung“, erläutert Fasoulas das Funktionsprinzip.

Diagnostisches Multitalent für den Weltraumeinsatz

„Der Clou des Sensors ist aber, dass er neben dem Sauerstoffanteil auch messen kann, wie viel Luft insgesamt eingeatmet wird.“ Der eingeatmete Luftstrom, der an dem Sensor in der Atemmaske entlang streicht, kühlt die hoch erhitzte Sensorspitze herunter. Um den auf diese Weise „abgekühlten“ Sensor wieder auf die ursprüngliche Betriebstemperatur zu bringen, müssen ihm die Wissenschaftler Energie zuführen, also Strom. Anhand der verbrauchten Heizenergie lässt sich die Luftmenge berechnen, die am Sensor vorbeigeströmt ist.
Diese Doppelfunktion des Sensors haben sich die Dresdner patentieren lassen. „Dank der winzigen Abmessungen kann die gesamte Diagnose-Einheit direkt in die Atemmaske eingebaut werden. Meines Wissens weltweit zum ersten Mal!“, berichtet der Dresdner Professor. „Dabei wiegt das gesamte System aus Atemmaske mit Sensor und Walkman-großer Steuereinheit nicht einmal 1000 Gramm. Von großem Vorteil ist darüber hinaus, dass er sehr schnell anspricht. Er reagiert im Millisekundenbereich. So kann man tatsächlich die einzelnen Atemzüge in Echtzeit analysieren.“

Angekündigt: Neue Berliner Bedrest-Studie

Drei Dinge sind in der bemannten Raumfahrt wertvoller als Gold und Edelsteine: Platz, Gewichtsersparnis und Crewzeit. Und in allen drei Bereichen kann das hochkompakte, leichte, leistungsstarke und einfach zu handhabende diagnostische System aus Dresden punkten. Da es außerdem mobil ist, können die Astronauten Sensormaske und Steuereinheit quasi nebenbei tragen, während sie andere Aufgaben erledigen. Bevor das Sensorsystem jedoch auf der Internationalen Raumstation eingesetzt werden kann, sind noch weitere Tests und Optimierungen notwendig. „Wir haben uns mit dem System für die Teilnahme an der zweiten Berliner Bedrest-Studie beworben“, gibt Stefanos Fasoulas bekannt. Die für 2006 geplante Studie zur Simulation von Schwerelosigkeit durch Bettruhe soll mit Unterstützung der ESA vom Berliner Zentrum für Muskel- und Knochenforschung durchgeführt werden. „Wir hoffen natürlich, dass die Berliner Probanden dann auch unsere Sensormasken tragen werden.“