Wie atmen Astronauten im Weltraum?

Ingenieure mussten sich spezielle Methoden einfallen lassen, um im Vakuum des Weltraums Sauerstoff zu erzeugen . So atmen Astronauten im Weltraum .

Wie man im Weltraum atmet

1997 brach auf der Raumstation Mir, dem Vorgänger der Internationalen Raumstation, ein Feuer aus. Auslöser war der Sauerstoffgenerator des Raumfahrzeugs, der feste Lithiumperchlorat-Flaschen verbrannte, um eine atembare Atmosphäre zu erzeugen. Beim Einschalten der Maschine fing Material eines Gummihandschuhs, der möglicherweise während der Montage im Generator zurückgelassen worden war, Feuer und verursachte einen etwa 14 Minuten andauernden Brand, der vollständig gelöscht war.

Obwohl keine Besatzungsmitglieder verletzt wurden, verdeutlichte der Unfall, wie schwierig und sicherheitsrelevant die konstante Sauerstoffversorgung der Astronauten während ihrer Zeit im Orbit ist. Wie die Wasseraufbereitungssysteme an Bord hat sich auch die Ausrüstung für diese lebensrettende Versorgung seit Beginn des Wettlaufs ins All in den 1960er Jahren deutlich weiterentwickelt.

Rauch und Mir

Das Apollo-Programm, zu dem auch die Mondlandung von 1969 gehörte, nutzte eine Umweltkontrolleinheit (ECU), um im Kommandomodul eine reine Sauerstoffatmosphäre aufrechtzuerhalten. Die ECU war mit Lithiumhydroxid- und Aktivkohlepatronen ausgestattet, um Kohlendioxid aus der Atemluft der Astronauten zu filtern und Gerüche zu absorbieren. Sie produzierte außerdem Wasser und hielt die Kabinentemperatur konstant, sodass bis zu drei Astronauten 14 Tage im Weltraum überleben konnten.

Die 1986 gestartete Raumstation Mir war für längere Weltraummissionen konzipiert und produzierte Sauerstoff durch eine chemische Reaktion. Ein Generator entzündete Lithiumperchlorattanks von der Größe großer Sprühdosen und setzte beim Verbrennen Sauerstoff frei. Eine dieser „Sauerstoffkerzen“ lieferte einem Besatzungsmitglied einen Tag lang ausreichend Atemluft. Bei einem Gummihandschuh-Vorfall zeigte das System jedoch seine Schwächen.

Nach diesem Unfall nutzten Raumfahrtingenieure keine chemischen Reaktionen mehr, um im Weltraum Sauerstoff zu erzeugen. Die ISS ersetzte die Mir Anfang der 2000er Jahre und wurde mit einer sichereren elektronischen Steuerung (ECU) ausgestattet, die auf Elektrolyse basiert. Dabei spaltet ein Generator Wassermoleküle durch eine Protonenaustauschmembran in Sauerstoff und Wasserstoff. Während der dabei erzeugte Sauerstoff in die Atmosphäre abgegeben wird, wird der Wasserstoff mit dem von der Besatzung ausgeatmeten Kohlendioxid zu Trinkwasser und Methan kombiniert. Derzeit wird das Methan aus der Station abgeleitet, könnte aber eines Tages für Bioproduktionsprozesse an Bord nützlich sein. Die ISS führt außerdem ein Mir-Modell zur Sauerstofferzeugung als Reserve mit.

Leben im Rucksack

Die Astronauten mit Sauerstoff zu versorgen, während sie sich im Raumschiff befinden, ist eine Sache. Das Gleiche zu tun, wenn sie das Raumschiff für Weltraumspaziergänge verlassen – um Geräte zu testen, Experimente durchzuführen oder Reparaturen im Freien vorzunehmen – ist eine andere.

Ein moderner Raumanzug für Weltraumspaziergänge, auch Extra-Vehicular Mobility Unit (EMU) genannt, ist mit einem Rucksack ausgestattet, der verschiedene lebenserhaltende Systeme beherbergt. Unter anderem versorgt er den Helm des Astronauten mit Sauerstoff und filtert Kohlendioxid heraus. Der Anzug schützt den Körper des Astronauten außerdem vor den potenziell lebensbedrohlichen Kräften des Vakuums, in das er sich begibt.

Schon vor dem Betreten der EMU atmen Astronauten stundenlang reinen Sauerstoff in einer Druckluftkapsel, um das Risiko eines Komastods zu minimieren. Laut dem ehemaligen Astronauten Mike Mullane herrscht im Kommandomodul ein atmosphärischer Druck von 14,7 Pfund pro Quadratzoll (psi), was in etwa dem Druck auf der Erde auf Meereshöhe entspricht. Der Druck in einem Raumanzug beträgt jedoch nur fünf psi. Astronauten müssen vor dem Weltraumspaziergang reinen Sauerstoff „voratmen“, um Stickstoff aus ihrem Körper zu entfernen und die Bildung von Gasbläschen im Blut – die Ursache der sogenannten Druckluftkrankheit – zu verhindern. Andernfalls können überschüssige Stickstoffbläschen Blutgefäße verstopfen und Gewebeschäden verursachen, die unter anderem zu Gelenkschmerzen, Kopfschmerzen, Muskelschwäche, Lähmungen, Müdigkeit und Verwirrtheit führen.

Die Bedeutung von Raumanzügen lässt sich vielleicht am besten daran verdeutlichen, was ohne sie passieren würde. Astronauten würden aufgrund von Sauerstoffmangel sofort ohnmächtig werden, während das Vakuum dazu führen würde, dass ihr Blut und ihre Körperflüssigkeiten, die sich an die atmosphärischen Bedingungen der Erde angepasst haben, gefrieren, kochen und platzen würden.

Die Bedingungen im Weltraum machen selbst einfache Vorgänge wie das Atmen zu einer komplexen, potenziell tödlichen Herausforderung. Glücklicherweise ist die Wissenschaft damit bestens vertraut.