Horizontales Laufen an der Innenseite einer runden Wand in einer Mondsiedlung
(royalsocietypublishing.org)- Bei langfristigem Aufenthalt auf dem Mond werden Muskelschwund, verringerte Knochendichte sowie eine Beeinträchtigung der kardiorespiratorischen und neuronalen Steuerung zum Problem. Als Alternative wird eine Trainingsform untersucht, bei der Bewohner horizontal an der Innenseite einer statischen zylindrischen Wand laufen und so selbst künstliche Schwerkraft erzeugen.
- Das Experiment nutzte eine etwa 10 m große Wall of Death-Struktur sowie Bungee-Bänder, die an einem 36 m hohen Kran hingen, um 83 % des Körpergewichts zu entlasten und damit Mondgravitation zu simulieren. Zwei Teilnehmende liefen an der runden Wand.
- Nach 5–8 Versuchen konnten die Teilnehmenden ohne Hilfe starten. In den 14 analysierten Läufen liefen sie jeweils mindestens eine Runde; die Geschwindigkeit an der Wand lag bei 5,38–6,45 m/s, im Mittel bei 5,93±0,45 m/s.
- Diese Geschwindigkeit entsprach einem Sicherheitsfaktor von 1,48–1,78 gegenüber dem Absturzrisiko. Die geschätzte maximale Bodenreaktionskraft beim Fußkontakt wurde mit dem 1,67- bis 2,42-Fachen des Körpergewichts auf der Erde berechnet – genug, um einer Kalziumresorption aus den Knochen entgegenzuwirken.
- Bereits 8–9 Runden pro Tag mit insgesamt nur 40–45 Sekunden Laufzeit könnten Skelett, Muskeln, Herz-Kreislauf-System und Nervensystem gemeinsam stimulieren; allerdings ist die Stichprobe klein, und spezielle Bettruhe-Studien sind nötig.
Das Trainingsproblem bei geringer Mondgravitation und Laufen an einer runden Wand
- Bei Besiedlung und Langzeitaufenthalten auf dem Mond kann die Exposition gegenüber geringer Schwerkraft kardiorespiratorische Fitness, Muskel-Skelett-System sowie Haltungs- und Bewegungssteuerung negativ beeinflussen.
- Gehen unter Mondgravitation ist auf einen niedrigen Geschwindigkeitsbereich begrenzt, weil das Gleichgewicht zwischen kinetischer und potenzieller Energie des Körperschwerpunkts gestört ist; auch der Trainingseffekt nimmt ab.
- Federnde Gangarten wie Laufen, Skipping und Hopping sind schneller als Gehen, können bei geringer Schwerkraft aber zu mechanischen Fehlanpassungen des Muskel-Sehnen-Komplexes und zu geringeren vertikalen Abhebegeschwindigkeiten führen.
- Bestehende Alternativen haben jeweils Grenzen.
- Ausdauertraining niedriger Intensität oder hochintensives Intervalltraining kann zur Erhaltung der kardiorespiratorischen Fitness eingesetzt werden, hat aber nur geringen Einfluss auf Muskel- und Knochenmasse.
- Schlittenartige plyometrische Übungen zeigten Potenzial zur Erhaltung von kardiorespiratorischer und muskuloskelettaler Funktion, unterscheiden sich aber vom Gehen und Laufen auf der Erde und können zu wenig Reize für Gleichgewicht und Bewegungssteuerung setzen.
- Zentrifugenbasierte Schwerkraftsimulation hat positive Effekte auf die Muskelfunktion, doch eine auf dem Mond begehbare Zentrifuge bringt große technische Hürden und hohen Strombedarf mit sich.
- Der vorgeschlagene Ansatz sieht vor, dass Mondbewohner an der Innenseite einer vertikalen runden Wand parallel zur Mondoberfläche laufen und durch Zentrifugalbeschleunigung eine höhere künstliche Schwerkraft erzeugen.
Experimentelles Design auf Basis der Wall of Death
- Für das Experiment wurde eine Jahrmarkt-ähnliche Wall of Death verwendet.
- Radius 4,73 m, Umfang 29,7 m
- Holzwandkonstruktion
- Am Boden befand sich eine 0,8 m breite Beschleunigungsrampe mit 30° Neigung
- Auf der Erde ist es für Menschen schwierig, diese Struktur allein mit laufender Beinmuskulatur stabil zu befahren; unter Mondgravitation sinkt die nötige Mindestgeschwindigkeit theoretisch so weit, dass es möglich wird.
- Zur Simulation der Mondgravitation wurde das Dach entfernt und zwei Bungee-Jumping-Gummibänder wurden in Reihe an einem 36 m hohen Kran befestigt.
- Das Körpergewicht der Teilnehmenden wurde um 83 % reduziert, sodass es 1/6 des Erdgewichts entsprach; dies wurde in Seitenlage mit einer digitalen Waage überprüft.
- Es nahmen 2 Personen teil.
- 36-jähriger Mann, 1,78 m, 60 kg
- 33-jährige Frau, 1,70 m, 62 kg
- Wegen des Gurtsystems und der Verbindungsleine war in horizontaler Haltung die Bewegung des oberen Arms eingeschränkt; dieser Arm wurde nicht geschwungen, sondern hielt die Aufhängungsleine.
Erforderliche Geschwindigkeit und physikalische Bedingungen
- In der Wall of Death verhindern die bei der Kreisbewegung an der Wand entstehende Zentrifugalkraft und die Wandreibung, dass man nach unten rutscht.
- Setzt man auf der Erde einen Radius von 4,7 m und einen Haftreibungskoeffizienten von 0,8 an, beträgt die Mindestgeschwindigkeit für eine Punktmasse 7,59 m/s, also 27,3 km/h.
- Reale Läufer und Motorräder sind keine Punktmassen; berücksichtigt man die Lage des Schwerpunkts, ergibt sich für Läufer auf der Erde eine erforderliche Geschwindigkeit von etwa 30,4 km/h, was mit menschlichem Laufen als schwierig gilt.
- Auf dem Mond beträgt die Schwerkraft 1/6 der Erdgravitation, daher sinkt die theoretische Mindestgeschwindigkeit in derselben Struktur auf 12,5 km/h, also über 3,5 m/s.
- Da die Mondgravitation-Simulation im Erdexperiment den Körper durch Bungee-Bänder nach oben zog und zugleich eine kleine zum Zentrum gerichtete Kraft erzeugte, wurde die im tatsächlichen Experiment nötige Geschwindigkeit auf 13,1 km/h, also 3,63 m/s, korrigiert.
- Beim horizontalen Laufen muss der Körper leicht nach oben geneigt sein; diese Haltung gleicht das Drehmoment aus der Massenverteilung des gesamten Körpers mit dem entgegengesetzten Drehmoment durch die Zentrifugalkraft ab.
Ergebnisse der tatsächlichen Läufe
- Die Teilnehmenden gewöhnten sich zu Beginn der eintägigen Versuchssitzung nach nur 5–8 Versuchen schnell an das ungewohnte horizontale Laufen.
- Anschließend absolvierten beide Teilnehmenden jeweils 7 analysierbare Läufe, insgesamt 14.
- Jeder Lauf umfasste nach der Anfangsbeschleunigung und vor dem Abbremsen mindestens eine Runde, also mindestens 29,7 m.
- Sie nutzten die Rampe zur Beschleunigung und reduzierten am Ende des Laufs die Geschwindigkeit, um sicher von der horizontalen Haltung an der Wand in die aufrechte Haltung am Boden zurückzukehren.
- Es gab keine Verletzungen.
- Die Laufgeschwindigkeit an der Wand betrug im Mittel 5,93±0,45 m/s, mit einem Bereich von 5,38–6,45 m/s.
- Diese Geschwindigkeit entspricht einem Sicherheitsfaktor von 1,48–1,78 gegenüber den Mindestbedingungen zur Vermeidung eines Sturzes und liegt damit in einem ähnlichen Bereich wie der Sicherheitsfaktor bei Motorradfahrten in einer Wall of Death auf der Erde.
- Die mittlere Schrittlänge und Gangparameter waren wie folgt:
- Schrittlänge: 3,78±0,29 m
- Schrittfrequenz: 1,58±0,17 Hz
- Kontaktzeit: 0,176±0,017 s
- Duty Factor: 0,27±0,01
- Über alle 194 Schritte hinweg erweiterte sich der Geschwindigkeitsbereich auf 4,60–7,50 m/s.
- Wie beim normalen Laufen auf der Erde wurden höhere Geschwindigkeiten hauptsächlich durch eine höhere Schrittfrequenz erreicht; die Schrittlänge blieb relativ konstant, während Kontaktzeit und Duty Factor mit zunehmender Geschwindigkeit abnahmen.
Laufmechanik und Bodenreaktionskraft
- Bei den beobachteten Geschwindigkeiten lag der vorhergesagte Neigungswinkel im Mittel bei 12,4°±1,9°, mit einem Bereich von 10,4°–14,9°.
- Die mittlere vertikale Bodenreaktionskraft beim horizontalen Laufen an der Wand betrug das 1,13±0,16-Fache des Körpergewichts auf der Erde; der geschätzte Maximalwert lag beim 2,04±0,29-Fachen.
- Mittelwertbereich: 0,93–1,34-fach
- Maximalbereich: 1,67–2,42-fach
- In einer separaten Sitzung im LOOP-Labor liefen dieselben Teilnehmenden auf einem Laufband mit Körpergewichtsaufhängung unter Bedingungen von 1g, 0,8g, 0,5g und 0,17g.
- Die Maximalgeschwindigkeit betrug 5,28 m/s bei 0,17g, 5,75 m/s bei 0,5g, 6,25 m/s bei 0,8g und 6,94 m/s bei 1g.
- Bei Maximalgeschwindigkeit lagen mittlere und maximale vertikale Bodenreaktionskraft bei 0,17g beim 0,85- bzw. 1,54-Fachen, bei 0,5g beim 1,44- bzw. 2,60-Fachen, bei 0,8g beim 1,94- bzw. 3,51-Fachen und bei 1g beim 2,09- bzw. 3,79-Fachen.
- Laufbandlaufen mit vertikaler Simulation der Mondgravitation unterschied sich kinematisch deutlich vom horizontalen Laufen in der Wall of Death.
- Vertikales Laufen unter Mondgravitation hatte eine viel größere Schrittlänge und einen stark reduzierten Duty Factor.
- Die Bedingungen 0,5g und 0,8g lagen näher an 1g-Laufen und an den Schrittdaten der Wall of Death.
- Die dimensionslose Strouhal-Kennzahl zeigte, dass horizontales Laufen in der Wall of Death normalem Laufen auf der Erde dynamisch ähnelt.
- Der Strouhal-Wert beim horizontalen Laufen in einer Wall of Death auf dem Mond lag bei etwa 0,80–1,10.
- Im LOOP trat derselbe Bereich erst ab 0,50g auf.
- Vertikales Hochgeschwindigkeitslaufen bei 0,17g zeigte mit etwa 0,55–0,65 eine ungewöhnliche Mechanik.
Reize für Muskeln, Knochen und Nervensystem
- Das Laufen in der Wall of Death wurde im Bereich von 5–7 m/s ausgeführt, deutlich schneller als die Mindestgeschwindigkeit zur Vermeidung des Rutschens, und ging mit einer hohen Schrittfrequenz von 2,5–4 Hz einher.
- Bei solch schnellen Läufen könnte die gesamte mechanische Arbeit, die die Muskel-Sehnen-Einheiten leisten müssen, größer sein als beim aufrechten Laufen auf der Mondoberfläche.
- Der Knochenreiz wurde im Vergleich zu den Ergebnissen von Sprungtraining aus früheren Bettruhe-Studien berechnet.
- In einer 60-tägigen Bettruhe-Studie verhinderte ein Sprungtrainingsprogramm mit 48 Sitzungen, im Mittel 0,8 Sitzungen pro Tag, mehrere Verschlechterungen einschließlich Verlusten an Knochendichte und Kalziumgehalt.
- Diese Sitzungen umfassten im Mittel 78 Sprünge und eine durchschnittliche maximale Bodenreaktionskraft von 3,6 kN, entsprechend dem 4,8-Fachen des gesamten Körpergewichts oder dem 2,4-Fachen pro Bein.
- Nimmt man für das Laufen in der Wall of Death bei 6 m/s eine maximale Bodenreaktionskraft von 2,2-fach pro Schritt an, werden 170 Schritte benötigt, um dieselbe kumulative Bodenreaktionskraft zu erreichen.
- Bei 30 m Umfang und einer Schrittfrequenz von 3,2 Hz besteht eine Runde aus 5 Sekunden und 16 Schritten.
- 10–11 Runden alle 1,25 Tage
- oder täglich 8–9 Runden
- gesamte Trainingszeit 40–45 Sekunden
- Diese Methode wird unter dem Gesichtspunkt hoher dynamischer Stoßbelastung, 40–60 Kontaktphasen pro Tag und der Vermeidung langer Sitzungen betrachtet.
- Aus Sicht des Nervensystems ähnelt das Gangmuster normalem Laufen auf der Erde und bindet mehrere Gelenke ein, sodass sowohl Vortrieb als auch Haltungskontrolle gefordert sind.
- Schlittenartige plyometrische Übungen oder Fahrrad-Ergometer setzen wegen Rumpffixierung oder fehlender dynamischer Gleichgewichtsaufgaben andere Reize als das Wall-of-Death-Gangmuster.
Kardiorespiratorische Stoffwechselintensität und Anwendung in Mondsiedlungen
- Die Sauerstoffaufnahme wurde nicht direkt gemessen; die minimale metabolische Anforderung des Wall-of-Death-Laufens wurde aber auf Basis der Stoffwechselkosten des Laufens auf der Erde und einer Regressionsformel für Laufen bei geringer Schwerkraft geschätzt.
- Für den Bereich von 5,5–6,5 m/s und die entsprechende künstliche Schwerkraft von 0,5g–0,73g wurde die Sauerstoffaufnahme auf 54–74 mlO₂/kg/min geschätzt.
- Es wird erwartet, dass Besatzungen des Artemis Program auf der Erde so trainiert werden, dass sie eine maximale Sauerstoffaufnahme von etwa 40 mlO₂/kg/min erreichen.
- Die geschätzte Intensität des Wall-of-Death-Laufens kann daher mit einem Niveau vereinbar sein, das beim hochintensiven Intervalltraining kardiorespiratorische Anpassungen auslöst.
- Diese Werte sind jedoch keine direkten Messungen und müssen in weiteren Experimenten in einer tatsächlichen Wall of Death bewertet werden.
- Auf dem Mond könnten die Verzerrungen der Simulation aus dem Erdexperiment entfallen.
- Dass durch die Bungee-Bänder eine zum Zentrum gerichtete Komponente entstand und dadurch eine höhere tangentiale Geschwindigkeit nötig war
- Dass Arme und Beine während der Schwungphase die verbleibende Erdgravitation erfuhren
- Dass die zusätzliche Masse von etwa 9 kg durch Gurt, Leinen und Aufhängungsausrüstung beschleunigt werden musste
- Spezifisches Vortraining, das an horizontale Fortbewegung gewöhnt, könnte dazu beitragen, sich auch in einer kleineren Wall of Death auf dem Mond mit geringerer Geschwindigkeit zu bewegen.
- Angesichts der Einschränkungen beim Transport oder Bau spezieller Trainingsgeräte auf dem Mond könnte diese Methode die Wände bewohnbarer runder Strukturen nutzen und als passive Anlage umgesetzt werden, die keine zusätzliche Stromversorgung benötigt.
- Die Schlussfolgerungen sind begrenzt.
- Die Stichprobe ist mit 2 Personen klein.
- Da es sich um ein ungewöhnliches Feldexperiment handelte, waren die kinematischen Messungen nicht besonders präzise.
- Künftige spezielle Bettruhe-Studien sind erforderlich.
- Wenn vertikales Laufen auf dem Mond durch die geringe Schwerkraft eingeschränkt ist, kann horizontales Laufen an einer runden Wand eine auf der Erde unmögliche Gangart auf dem Mond stabil ausführbar machen und mit kurzen täglichen Läufen genug künstliche Schwerkraft erzeugen, um kardiorespiratorische und motorische Leistungsfähigkeit sowie den Knochenmineralstatus zu erhalten.
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Wie oft muss man klicken, um zum ergänzenden Datenvideo zu kommen: https://rs.figshare.com/articles/media/a_participant_running...
Wahrscheinlich ist es gut, häufig die Richtung zu wechseln
Ich frage mich, ob das an der Richtung der Schwerkraft liegt, daran, dass der Körperwinkel nicht vollständig horizontal wirkt und der Fuß deshalb in einem seltsamen Winkel aufsetzt, oder ob es an individuellen physiologischen Eigenschaften liegt
Ich habe keine Erwähnung einer rotierenden Oberfläche gesehen
Ein konischer zylindrischer Schwerkraft-Fitnessraum mit verstellbarer Wandneigung und variabler Rotationsgeschwindigkeit könnte eine viel stärkere „Schwerkraft“ sanft erzeugen
Rotationsschwerkraft würde Bodyweight-Training, Core-Training, stationäres oder kleinflächiges Cardio wie Indoor-Cycling, VR-Spiele, Yoga und sogar Schlaf ermöglichen
Edit: Ich habe die Stelle übersehen: „Eine mondbasierte Zentrifuge, in der man innen gehen kann, würde jedoch technische Herausforderungen mit sich bringen“
Trotzdem glaube ich, dass man am Ende nicht darum herumkommt. Körperlich und psychologisch ist das viel nützlicher. Eine „rotierende Oberfläche“ ist eine einfache Aufgabe verglichen mit „gesundheitlichem Abbau durch niedrige Schwerkraft“ oder „sich zu Tode zu langweilen, während man im Kreis läuft“
Vielleicht könnte so eine Ausrüstung auch das Problem der Fortpflanzung außerhalb der Erde lösen. Lasst uns ein paar Weltraumkaninchen etwas „hochdrehen“ und sehen, was passiert! Hoffentlich keine Tribbles
In Kolonien mit niedriger Schwerkraft werden rotierende Bereiche sicher weit verbreitet sein. Jemand Lust auf ein Startup?
Wenn man sich lange dort aufhält, würden Muskeln und Knochen stärker, daher könnten Fitnessbegeisterte oder Profisportler interessiert sein
Es wäre auch eine gute Generalprobe, bevor man so etwas auf dem Mars oder dem Mond baut und betreibt. Wenn man es auf der Erde zum Laufen bringen kann, sollte es bei geringerer Schwerkraft noch einfacher sein, weil weniger Beschleunigung nötig ist
Vielleicht wäre das auch mit einem Zug oder einer Achterbahn auf einer leicht geneigten Kreisstrecke möglich. Eine kleine Neigung würde den Schwerkraftvektor nur in eine Richtung verschieben, die senkrecht zum Boden steht
Es gibt wahrscheinlich einen Grund, warum sich das nicht verbreitet hat
Natürlich könnte man die Rotation auch einfach stoppen, wann immer man eine Luftschleuse öffnen muss
Oder man bringt das Ganze in den Orbit; dann wäre dieses Problem einfacher und man müsste sich auch weniger um Tag-Nacht-Strahlenschutz oder Heizung kümmern
Der Nachteil „Eine mondbasierte Zentrifuge, in der man innen gehen kann, würde technische Herausforderungen mit sich bringen und beträchtliche Leistung erfordern“ ist ziemlich lustig
Technische Herausforderungen sind doch gerade das Signal dafür, dass man auf dem Mond ist, oder?
Ein stabiles Rotationssystem dürfte zu den einfacheren Aufgaben auf dem Mond gehören. Wenn man es innerhalb einer bestehenden Umhüllung umsetzt, wäre das sogar ziemlich Low-Tech machbar
In niedriger Schwerkraft sollte das Aufrechterhalten der Rotation sehr wenig Energie verbrauchen. Verluste gäbe es wohl nur durch Reibung an den Drehpunkten und vielleicht durch Positionsregelungsgewichte, um das Gleichgewicht an menschliche Bewegungen anzupassen — beides dürfte gering sein
Allerdings ist die vorgeschlagene nichttechnische Lösung im Verhältnis zur Investition sehr wirksam und für frühe Phasen oder selten bewohnte Außenposten realistisch
Endlich bin ich jemand mit ungewöhnlich einschlägiger Erfahrung. 2012 habe ich eine große rotierende Kreisplattform mit etwa 6 m Durchmesser gebaut, also das größte Hamsterrad der Welt[1]
Zum kurzen Laufen war es lustig und einzigartig, aber die meisten wurden nach ein paar Minuten Joggen schwindelig. Die gebogene Plattform barg auch Sturzgefahr
Tatsächlich wurde es häufiger wie eine Art Schaukel benutzt, aber ich weiß nicht, ob das auf dem Mond auch möglich wäre
Ich bin skeptisch, dass die Erfahrung auf dem Mond viel besser wäre. Vor allem ist der vorgeschlagene Durchmesser noch kleiner
Gibt es einen Grund, warum auf dem Mond so etwas wie eine Wasser-Rudermaschine nicht funktionieren würde? Man könnte auch eine Gewichtsweste oder einen beschwerten Sitz hinzufügen
Rudern ist fast ein Ganzkörpertraining und scheint nicht so stark von Schwerkraft abzuhängen
Theoretisch beanspruchen wichtige Verbundübungen wie Kniebeugen oder Kreuzheben fast alle Muskeln des Körpers, also könnten sie sehr helfen. Schon 2–3 große Lifts pro Woche können anhaltend ziemlich viel Muskelwachstum bringen
Natürlich gibt es im Weltraum kein Gewicht, also kann man nicht buchstäblich Hanteln heben. Aber man kann Widerstand mit Bändern, Pneumatik usw. erzeugen
Rudern ist großartig, weil man damit gleichzeitig Widerstandstraining und Cardio bekommt
Auf dem Mond gibt es ja Schwerkraft, nur eben wenig. Warum erwägt niemand einfach, einen riesigen Felsen zu squatten und zu deadliften? Wenn man einen großen Korb mit Mondgestein füllt, wird er irgendwann schon schwer genug
„Niedrigintensives Ausdauertraining oder hochintensives Intervalltraining auf dem Ergometer kann helfen, die kardiopulmonale Fitness zu erhalten, hat aber nur geringe Auswirkungen auf Muskel- und Knochenmasse“
In Arthur C. Clarkes Imperial Earth gibt es eine kreisförmige Fahrradbahn in einem Raumschiff mit niedriger Schwerkraft
Der Protagonist fuhr auf dieser Bahn sehr schnell im Kreis, um für die Erdschwerkraft zu trainieren, bis er 1G spürte
Das erinnerte mich an das Laufen an einer kreisförmigen Wand in 2001: A Space Odyssey vor mehr als 50 Jahren: https://youtu.be/1wJQ5UrAsIY
Ich frage mich, ob sich die beiden Richtungen jeweils wie „bergauf“ und „bergab“ anfühlen würden. Für Trainingszwecke wäre bergauf vermutlich besser
Ich weiß nicht, ob der Film allein genug Informationen liefert, um zu berechnen, in welche Richtung sich der rotierende Abschnitt dreht
Im Kreis herumzurennen klingt nach einer großartigen Methode, die Langeweile zu besiegen
Neben einem Gerät namens Wheel-of-Death gibt es auch einen speziellen Raum, in dem man Farbe beim Trocknen zusehen kann, und laut Werbematerial soll das ähnlich sein wie Vogelbeobachtung
Ich verstehe nicht, warum Ganzkörper-Gehen die beste Methode sein soll, um Muskelatrophie und Knochenentmineralisierung zu verhindern. Auf der Erde ist das schließlich auch nicht das Beste
Ein besserer Ansatz wären wohl Kraftübungen mit Bändern oder Mondgestein
Man könnte bei Übungen wie Deadlifts und Squats neue Mondrekorde aufstellen
Genauer gesagt enthielt jede auf der Erde getestete Methode wie Bänder oder Gewichtheben auch in erheblichem Maß Ganzkörper-Gehen in einem starken Gravitationsfeld
Wenn man dreimal pro Woche eine Stunde im Fitnessstudio Squats und Deadlifts macht, kann man hervorragende Ergebnisse erzielen. Aber zu diesem Lebensstil gehört auch, dass man 24 Stunden am Tag 1G-Schwerkraft ausgesetzt ist
Skateboarden auf dem Mond wäre großartig
https://what-if.xkcd.com/124/