Ruimtetechnologie tijdens de Paralympics
Als tijdens de Paralympics 2004 van deze week Wojtek Czyz, wereldrecordhouder verspringen, zijn eerste Olympische medaille verovert, zal dat mede te danken zijn aan ruimtetechnologie en -kennis. Bepaalde onderdelen van de prothese die hij tijdens de wedstrijd gebruikt, zijn namelijk gemaakt van extra sterk en licht materiaal dat speciaal voor ruimtetoepassingen is ontwikkeld.
Czyz mist sinds een sportongeval drie jaar geleden een deel van zijn linkerbeen, en om zijn passie voor ’alles wat met sport te maken heeft‘ te kunnen voortzetten, moest hij wel een prothese gaan gebruiken.
"Met mijn vorige prothese had ik grote problemen, want het hoekstuk tussen mijn knie en de veer van het onderbeen begaf het nogal eens tijdens het verspringen," legt hij uit. Dat was niet alleen praktisch gezien vervelend, maar belangrijker nog was dat het zorgde voor een psychologische barrière. "Tijdens mijn oefeningen liep ik me constant af te vragen of mijn kunstbeen het wel zou houden, en ik wist nooit precies hoeveel kracht ik ermee kon zetten."
Ruimtematerialen bieden uitkomst
De meeste gehandicapten moeten het doen met ’standaard’protheses voor alledaags gebruik, en de markt voor op maat gemaakte onderdelen voor sporters is heel beperkt. Het ontwerp van de standaardprothesen voor atleten zou lichter kunnen en beter worden aangepast aan de belasting tijdens wedstrijdsporten.
Via de Duitse pers en televisie kwam het probleem van de atleet ten gehore van ESA's Technology Transfer and Promotion Office en het Duitse MST Aerospace, dat ESA’s Technology Transfer Network beheert. Na overleg met Czyzom te weten waarmee hij technologisch gezien het meest geholpen zou zijn, besloten ESA en MST zich er samen over te buigen.
"Ons doel," vertelt Pierre Brisson, hoofd van ESA’s Technology Transfer and Promotion Office "was om aan de hand van ruimtetechnologieën een oplossing te vinden waarmee gehandicapten sport kunnen beoefenen op wedstrijdniveau en tegelijkertijd hun kwaliteit van leven kunnen verhogen".
Samen met Wojtek Czyz werden drie verbeterpunten vastgesteld: de prothese zelf, de aansluiting en de trainingsomstandigheden.
Met behulp van biomedische procedures werd nagegaan hoe de protheses voor hardlopers en verspringers konden worden verbeterd. Duidelijk werd dat het probleem hem vooral zat in de verbinding met de knie, de L-vormige beugel tussen de kunstknie en de koolstofveer die het onderbeen vervangt.
Namens ESA zocht MST contact met ISATEC, een Duitse firma met ervaring in de toepassing van hoogwaardige materialen voor ruimteprojecten, zoals sterke aluminiumlegeringen, titaan en koolstofvezelversterkte kunststoffen (KVK). ISATEC ontwerpt en analyseert KVK-structuren die worden gebruikt voor raketmotoren en het experiment met de Alpha Magnet Spectrometer (AMS) in het internationale ruimtestation (ISS). De AMS is ontworpen voor het in de ruimte bestuderen van antimaterie, materie en donkere materie. Met dezelfde kennis en technieken heeft ISATEC de L-vormige beugel onder de loep genomen om de prothese beter geschikt te maken voor wedstrijdsporten.
"Gedetailleerd onderzoek wees uit dat per sport een andere oplossing het beste was, elk optimaal afgestemd op een specifiek gebruik," aldus Johannes Schmidt, projectleider bij MST. "Voor het sprinten werd een beugel ontworpen en vervaardigd uit een sterke aluminiumlegering, hetzelfde materiaal dat ESA toepast voor haar AMS-experiment."
"Het verspringen vraagt om een andere oplossing. Hiervoor is een samengestelde beugel ontwikkeld op basis van koolstofvezels en weefsellagen", vervolgt Johannes Schmidt. "Na feedback van de atleet werd van dit prototype een tweede, zachtere versie gemaakt."
Vooral het spanningsonderzoek verricht aan elk van de ruim veertig in dezelfde richting aangebrachte weefsellaagjes was belangrijk omdat we er nu zeker van waren dat het materiaal sterk genoeg was voor de extra belasting tijdens het verspringen. De stijvere nieuwe beugel is lichter en sterker tegelijk, zodat de atleet tijdens het oefenen meer zekerheid heeft.
"Het is aan de vele jaren van perfectionering van deze speciale materialen voor gebruik in de ruimte te danken dat de hoogwaardige beugels voor de prothese van Czyz tot stand konden gekomen," aldus Schmidt.
Training
Czyz vertelde MST ook dat het hem altijd moeite kostte om de prothese goed aan zijn been vast te maken. "De stomp van mijn been is niet steeds even breed, maar hangt af van mijn algemene gezondheid; daardoor is het lastig de prothese goed vast te zetten. Hij is er zelfs weleens afgevallen tijdens de training."
Na overleg met het Europese Astronautencentrum (EAC) en het Europees Zorgnetwerk, dat door ESA in het leven is geroepen voor de ontwikkeling, bevordering en marketing van oplossingen voor zorg en welzijn op basis van ruimteonderzoek en -ontwikkeling, stelde Filippo Ongaro, hoofd van ESA's Zorgnetwerk, voor om de elektrische spierstimulator (Percutaneous Electrical Muscle Stimulator - PEMS) te gebruiken om verdere spieratrofie te voorkomen en de spiermassa te vergroten.
PEMS is ontwikkeld en vervaardigd door het Zwitserse Syderal ter voorkoming van de gevolgen van de microzwaartekracht op astronauten, met name spieratrofie en daarmee gepaard gaande effecten als botmineralisatie en toestandsverandering van het cardiovasculaire systeem. In 1996 ging PEMS I mee aan boord van het ruimteveer en PEMS II wordt naar verwachting volgend jaar mei aan ISS geleverd.
In juni stelde het ESA-Directoraat voor Bemande Ruimtevaart het PEMS II-trainingsapparaat ter beschikking, waarna het werd geïnstalleerd aan de Keulse Sporthogeschool (DSHS) om Czyz in staat te stellen zijn spiermassa te vergroten en atrofie in zijn been te verminderen. De training werd begeleid door prof. Narici van de Universiteit van Manchester, die al uitgebreid onderzoek had gedaan met PEMS I en II, dr. Zange, verbonden aan het Instituut voor ruimtevaartgeneeskunde van het Duitse luchtvaartcentrum (DLR) - met steun van dr. Scheider en dr. Abel van het Instituut voor motorische besturings- en bewegingstechniek aan de DSHS - en prof. Maffulli van 3333 de medische faculteit van de Universiteit van Keele. Het DLR stelde tevens testfaciliteiten in Keulen-Porz ter beschikking.
"Ik heb tien weken kunnen oefenen met PEMS. Daardoor is de spiermassa van mijn been dusdanig verbeterd dat ik geen moeite meer heb met het vastmaken van mijn prothese. Of ik me al dan niet goed voel heeft geen invloed meer op de spiermassa van mijn been," aldus Czyz.
Tijdens de oefeningen droeg de atleet een door het Italiaanse Grado Zero Espace ontwikkeld trainingspak en een membraan met vormgeheugen. Het membraan is gemaakt op basis van een polymeer die in ruimtetoepassingen wordt gebruikt als schuimplastic voor de inklapbare wielen van landingsvaartuigen en voor ontvouwbare systemen.
Czyz hoopt ook op de 100 m en 200 m medailles te winnen, maar zijn ware liefde is het verspringen. "Meedoen aan de Paralympics wordt zenuwslopend, want dat is anders dan thuis oefenen. In 2003 brak ik het wereldrecord met een sprong van 5,85 meter en met de nieuwe onderdelen van mijn prothese spring ik nu 20 cm verder. Hopelijk vestig ik in Athene een nieuw record van over de zes meter."
