7. September 2021 | Drahtloses Kommunikationsnetzwerk auf der ISS für Langzeitanalyse des Herzkreislauf-Systems
Smartes Shirt misst Vitaldaten von Astronauten
Vorbereitungen der Mission „Cosmic Kiss“ im :envihab
Matthias Maurer im Sommer 2021 bei vorbereitenden Gesprächen zur Mission Cosmic Kiss im :envihab des DLR in Köln. Im Rahmen des Briefings wurde auch das Experiment Wireless Compose-2 vorgestellt.
Sensoren messen physiologische Daten bei Testlauf auf der Erde
Herzparameter wie der relative Blutdruck sowie Details zur Kontraktionsrate der Herzklappen geben Aufschluss über den physiologischen Zustand von Astronauten und Astronautinnen. Mit dem Experiment Wireless Compose 2 werden die Auswirkungen der Weltraumumgebung auf das Herz-Kreislauf-System im Rahmen der Cosmic Kiss Mission von Matthias Maurer an Bord der Internationalen Raumstation ISS erfasst.
In rund acht Wochen soll der deutsche ESA-Astronaut Matthias Maurer in den Weltraum aufbrechen und für etwa sechs Monate auf der Internationalen Raumstation (ISS) leben und arbeiten.
Während seiner Mission „Cosmic Kiss" wird er verschiedene Experimente durchführen.
Smartes T-Shirt mit integrierten Sensoren funkt über ein drahtloses Netzwerk physiologische Daten von Astronautinnen und Astronauten. Auswirkungen der Weltraumumgebung auf das menschliche Herz-Kreislauf-System können so bewertet und demonstriert werden.
Das Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk dient zudem zur Positionsbestimmung von Menschen und Gegenständen auf der ISS. Seine Energie soll es durch Solarzellen aus künstlichen Lichtquellen selbst erzeugen.
Schwerpunkte: Raumfahrt, Internationale Raumstation
In rund acht Wochen ist es so weit: Der deutsche Astronaut Matthias Maurer wird an Bord einer SpaceX-Raumkapsel zur ISS fliegen. Seine erste ISS-Mission trägt den Namen „Cosmic Kiss“. 36 Experimente aus Deutschland sind für seine Mission vorgesehen. Eines davon ist
Wireless Compose-2 (WICO2), geplant und vorbereitet vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie seinen Kooperationspartnern DSI Aerospace Technology, Hohenstein Laboratories und der Universität Bielefeld. Das drahtlose Netzwerk liest Sensordaten aus und kann die Position von Objekten im Raum durch Laufzeiten von Funkimpulsen bestimmen. Es steht zudem als Plattform für weitere Versuche zur Verfügung. Im Experiment BEAT (Ballistocardiography for Extraterrestrial Applications and long-Term missions) misst ein mit Sensoren ausgestattetes T-Shirt Ballistokardiografie-
Daten wie Puls und Blutdruck von Astronautinnen und Astronauten. Dies liefert ein durchgängiges Bild ihres vitalen Zustands.
Smartes T-Shirt – mehr als Weltraummode
Matthias Maurer wird als erster Astronaut das smarte Shirt „SmartTex“ auf der ISS tragen. In dem Shirt sind Sensoren so integriert, dass sie an der richtigen Stelle sitzen, um die relevanten physiologischen Daten zu messen. Der Astronaut kann die Sensoren so bequem am Körper tragen. Sie messen Herzparameter wie den relativen Blutdruck sowie Details zur Kontraktionsrate und zu Öffnungs- und Schließzeiten der Herzklappen, die normalerweise nur über Sonographie oder Computertomographie zugänglich sind. Auswirkungen der Weltraumumgebung auf das Herz-Kreislauf-System können so analysiert und bewertet werden.
Im Sommer 2021 haben Forschende die Sensoren aus dem SmartTex am Boden im DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln in der Forschungsanlage :envihab kalibriert. Dass sich Muskeln unter Schwerelosigkeit zurückbilden, ist bekannt. „Das Herz ist auch ein Muskel. Interessant wird dann zu sehen, ob und wie sich das Herz unter Weltraumbedingungen verändert. Deswegen messen wir die ballistokardiografischen Daten bei Matthias Maurer vor, während und nach dem Aufenthalt auf der ISS.“, erklärt Martin Drobczyk, Projektleiter am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen, „Besonders relevant wird das für langfristige bemannte Weltraummissionen zu Mond und Mars“. Im April 2022 wird dann die italienische Astronautin Samantha Cristoforetti zur ISS fliegen und dort ebenfalls das T-Shirt für Messungen tragen. „Uns freut es sehr, dass sowohl eine männliche als auch eine weibliche Versuchsperson das SmartTex tragen wird. Ganz besonders interessant ist es für uns zu sehen, ob es Unterschiede bei den Messdaten eines Astronauten und einer Astronautin geben wird“, ergänzt Drobczyk.
Die Firma Hohenstein Laboratories hat das SmartTex entwickelt und zur Verfügung gestellt. Die Ballistokardiografie-Messung wird in Kooperation mit dem Raumfahrtunternehmen DSI Aerospace Technologie durchgeführt, von dem auch die Sensoren stammen. Medizinisch begleitet wird das Experiment durch die Medizinische Fakultät der Universität Bielefeld. Die ermittelten Daten werden innerhalb des Netzwerkes zwischengespeichert und in regelmäßigen Abständen vom Astronauten ausgelesen. Diese Datenpakete werden dann mittels der ISS-Verbindung zur Erde transferiert, wo das DLR-Forschungsteam diese auswertet.
Für die Zukunft ist ein Technologietransfer des SmartTex zu Anwendungen im Bereich Fitness und Telemedizin denkbar.
Drahtloses Netzwerk auf der ISS
Wireless Compose-2 (WICO2) ist die Fortsetzung des erfolgreichen ISS-Experiments Wireless Compose
, einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk zum effizienten Auslesen von Sensoren und zur Lokalisation von Objekten innerhalb der ISS.
Ziel ist die Bereitstellung einer flexiblen und anpassbaren drahtlosen Netzwerkinfrastruktur zur Durchführung von Experimenten mit geringem Stromverbrauch sowie Gewicht und drahtloser Datenübertragung. Die Hardware des WICO2-Netzwerks besteht aus lediglich fünf Modulen die zusammen gerademal ein Kilogramm wiegen. Jedes einzelne Modul ist ungefähr so groß sind wie eine Zigarettenschachtel. Der Transport zur ISS ist mit dem Versorgungsflug SpaceX CRS-24 geplant, der voraussichtlich im Dezember 2021 startet.
Die Kommunikation innerhalb des Netzwerks basiert auf der Ultra-Breitband-Technologie. Diese ist besonders gut und wenig störanfällig in metallischen, reflektierenden Umgebungen, wie der ISS. Ein weiteres Feature ist die Ermittlung von Laufzeiten der ausgesendeten Pulse, um so eine Entfernungsmessung durchzuführen. Dies ermöglicht eine Bestimmung der Position auf zehn Zentimeter genau von Astronautinnen und Astronauten sowie Gegenständen.
Aktuell bezieht das Netzwerk seinen Strom noch aus Batterien. Zukünftig soll es seine Energie durch sogenanntes Energy Harvesting aus dem Licht auf der ISS selbst gewinnen. Christian Strowik vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme untersucht, welche Solarzellen am effizientesten Strom aus dem Kunstlicht der ISS erzeugen können: „Auf der ISS erfolgt die Beleuchtung größtenteils über handelsübliche Leuchtstoffröhren. Diese verändern bei längerem Gebrauch ihr Lichtspektrum. Wir wollen nun validieren, welche Solarzellen am besten geeignet sind, um unser Netzwerk mit Strom zu versorgen.“ Unabhängig von den Solarzellen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Elektronik des gesamten Netzwerks effizienter machen. „Sobald wir passende Solarzellen gefunden haben, werden wir Speichermöglichkeiten untersuchen. Die Energie wollen wir möglichst lange sichern und die Aktivität im Netzwerk auch vom Ladezustand des Speichers abhängig machen", ergänzt Strowik. Dies soll dazu beitragen, die Wartungshäufigkeit noch weiter zu reduzieren.
Wireless Compose-2 ist ein update-fähiges und anpassungsfähiges Netzwerk und bietet damit eine Infrastruktur für zukünftige wissenschaftliche und bio-medizinische Experimente.
