Patentes
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Montag • 11:30
31.3.2003
Weltraumsensoren für den Gesundheitstest
Hartmut Schade

Kosmonauten müssen fit sein - und wenn sie künftig Wochen oder gar monatelang auf der internationalen Raumstation arbeiten, dann braucht es ab und zu einen Gesundheitscheck. Was in den vollgepfropften irdischen Mediziner-Laboren kein Problem ist, erweist sich in ein paar hundert Kilometern durch als problematisch. Denn dort braucht es einen einfachen, kleinen Test. Wissenschaftler des Institutes für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden haben nun einen Sensoren für einen solchen Fitness-Check entwickelt.

Eigentlich sollte Stefanos Fasoulas nur Sensoren bauen, die Sauerstoff und Kohlendioxid im Weltall erschnüffeln. Finden sich in 200 bis 300 Kilometern Höhe noch Rest der irdischen Atmosphäre wollten Astrophysiker und Chemiker wissen - und der Experte für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden entwickelte Minisensoren, die selbst einzelne Moleküle in den Weiten des All noch aufspüren können. Dann kam der Teflon-Effekt: was gut ist für die Raumfahrt ist auch gut für die Menschheit.

Und interessanterweise hat sich als Technologie-Transfer daraus ergeben, dass man diese auch zur Atemgasanalyse einsetzen kann. Zum Beispiel für die Leistungsanalyse von Hochleistungssportlern oder in der Rehabilitation von Patienten, dass man dort die Leistungsfähigkeit über die Atmungsfunktion untersucht, zum Beispiel die Sauerstoffaufnahme unter bestimmter Belastung.

Atem ist verräterisch: Die Kohlendioxid und Sauerstoffanteile beim Ein- und Ausatmen zeigen, wie effektiv unser Körper mit dem Sauerstoff umgeht, wieviel Luft wir überhaupt in die Lungen pumpen, und wann wir beim Ergometertest ins Keuchen kommen. Doch bislang war der Aufwand für die Atemgasanalyse viel größer, als wenn man einfach über ein paar Milliliter Blut die Werte bestimmte. Einzig Spitzensportler kontrollierten über den Atemtest ihre Fitness.

Und interessanterweise hat sich wieder herausgestellt, dass solche Untersuchungen auch im Weltraum stattfinden. Und zwar die Astronauten werden diesbezüglich untersucht um konkret einerseits ihre Leistungsfähigkeit für bestimmte Aufgaben zu untersuchen, andererseits auch für bestimmte wissenschaftliche Zielsetzungen, wie die Atmungsfunktion unter Schwerelosigkeit funktioniert.

Für den Einsatz im Spaceshuttle oder der internationalen Raumstation mußte Professor Fasoulas seine Sensoren noch weiter verkleinern. Und entwickelte dabei ein Verfahren weiter, das man eher mit der Kunst in Verbindung bringt: den Siebdruck. Hierbei wird Farbe durch eine feines Sieb Schicht für Schicht auf Leinwand, Holz oder Glas gedrückt. Durch das Abdecken bestimmter Teile des Siebes erhält man das gewünschte Bild. Auch Sensoren lassen sich so herstellen. Statt der bisher üblichen dicken Schichten gelang es den Dresdener hauchdünne Schichten von wenigen tausendstel Millimeter zu drucken. Im Dresdner Labor schmiert Diplomingenieur Rainer Baumann eine silbrige Paste auf eine feine rechteckige Metallgaze.

Also das ist eine zähflüssige Masse, die über ein sogenanntes Rakel, das ist wie ein Schieber, über das Sieb rüber geschoben wird und durch die Öffnungen des Siebes durchgepreßt wird. Und darunter liegt das Substrat mit vielleicht schon vorher aufgebrachten Schichten und dort werden die einzelnen Strukturen durch das Sieb sehr sehr fein auch abgebildet. Diese Schichten werden dann über verschiedene Ofenprozesse eingebrannt und eingesintert. So das dann wieder andere Schichte oben drüber aufgebracht werden können.

Bis zu 14 Schichten aus Edelmetallen und Keramiken werden auf einen streichholzgroßen Sensor aufgebracht. Auf seiner Unterseite befindet sich eine winzige Heizwendel. Sie erhitzt die Sensorspitze auf bis zu 700° Celsius. Bei dieser Temperatur lassen die Spezialkeramiken Ionen , also geladene Teilchen passieren. Wieviel - das hängt von der Sauerstoff- oder Kohlendioxidkonzentration ab.

Also ein entscheidender Vorteil von dem Sensor ist, dass man nicht nur den Sauerstoffanteil mit dem Sensor messen kann, sondern auch den gesamt eingeatmeten Luftmassestrom.

Je mehr Luft eingeatmet wird, desto stärker kühlt der Sensor ab. Die Dresdener messen nun, wieviel sie Energie sie brauchen, um die Sensorspitze wieder auf Betriebstemperatur zu bringen. Damit er Weil man den Sensor sowieso aufheizen muss.

Diese Kombination, diese simultane Messung von Gasanteilen mit Massenströmen ermöglicht jetzt eine absolute Miniaturisierung des System für die Atemgasanalyse, um zum Beispiel die gesamte Diagnostik in einer Maske direkt einzubauen

Freut sich Professor Fasoulas. Das gleichzeitige Messen von Atemvolumen und Atemgas war bislang nicht möglich und wurde von den Dresdener Wissenschaftlern patentiert. Zudem reagieren die Minimessfühler viel schneller als herkömmliche. Mit ihnen ist es erstmals möglich, jeden einzelnen Atemzug zu untersuchen. Damit könnte die Atemanalyse aus ihrem bisherigen Mauerblümchendasein herauskommen. Außer dem allgemeinen Fitnesszustand verrät der Atem nämlich noch mehr über den Körper.

Durch Zudosierung von Wasserstoff und die anschließende Verteilung während der Ausatmung kann man feststellen, ob irgendwelche Lungenbereiche nicht aktiv an der Sauerstoffaufnahme teilnehmen und diesbezüglich kann man bei Lungentransplantationen feststellen, ob ein Abstoßung passiert oder nicht und das interessanterweise 6 Monaten bis ein Jahr bevor eine immunologische Reaktion stattfindet.

Mit einen Atemsensor könnte auch die Einnahme von Asthmamedikamenten kontrolliert werden: atmet der Patient tatsächlich kräftig genug, damit das Medikament in die Lunge gelangt. Die Dresdener Techniker haben noch weitere irdische Ideen für ihre Weltraumsensoren: Eine Minischnüffelnase für Kohlenmonoxid könnte Heizungen kontrollieren und dafür sorgen, dass diese stets optimal brennt. Dank Weltraumtechnik ließen sich so Umwelt und Geldbeutel schonen.

Link: Institut für Luft- und Raumfahrttechnik
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