Je leest:

Ruimtevaart doet je hart sneller kloppen

Ruimtevaart doet je hart sneller kloppen

Auteur: | 29 november 2007

Op 4 oktober 2007 was het precies vijftig jaar geleden dat de Russen een kleine sonde, Spoetnik 1 genaamd, de ruimte in schoten. Dit was het startschot voor een lange en kostbare ruimterace tussen Amerika en de Sovjet Unie. De ruimtetechnologie die tijdens deze wedloop is ontwikkeld heeft op aarde vooral in de geneeskunde waardevolle en levensreddende toepassingen gevonden.

Het was een keerpunt in de geschiedenis van de mensheid toen de Russen op 4 oktober 1957 de Spoetnik 1 lanceerden. Een kleine satelliet, niet veel groter dan een strandbal draaide vier maanden lang op 250 kilometer hoogte rond de aarde. De Spoetnik zond via lange sprietvormige antennes een korte “beep-beep-beep” de ruimte in, die door iedere radioamateur, inclusief de Amerikaanse, opgevangen werd.

Spoetnikbouwer Oleg Ivanovski zei in het NRC van 29 september 2007 over de Spoetniklancering: “Ik had niet het idee ‘O, o, wat is dit bijzonder.’ Het was gewoon ons werk. Weer een bestelling die onze ruimteorganisatie kreeg”. De Amerikanen dachten er echter anders over: voor hen was dit het teken dat de Russen met hun raketten de VS konden bereiken. Daarom werd in 1958, nauwelijks een jaar na de Spoetniklancering, de NASA opgericht. Het waren de gloriedagen voor de bètawetenschappen, de regering gaf geld uit alsof het niks was, de ene technologische innovatie volgde na de andere. Binnen twaalf jaar stond er een man op de Maan: een grandioze prestatie.

Spoetnik 1: de sonde die de ruimterace veroorzaakte

Vraag echter iemand op straat welke vooruitgangen in de ruimtevaart van de grootste invloed zijn geweest op het leven hier op aarde, en hij herinnert zich misschien die vreemde ballpoint die ook ondersteboven gehouden blijft schrijven. Ga maar op je rug liggen en probeer met een normale pen een stukje tekst te schrijven: je merkt dat er na een paar woorden geen inkt meer uit de pen komt. De zwaartekracht trekt de inkt namelijk naar de bovenkant van de pen. Een vergelijkbare situatie treedt op in een ruimteschip waar de astronauten gewichtsloos rondzweven.

In de hectische jaren van de ruimterace realiseerden de NASA-wetenschappers zich dat ze een probleem hadden: hoe moesten de astronauten in de ruimte gegevens opschrijven, moesten ze alles gewoonweg onthouden? Wat volgde (of liever gezegd, zo gaat het verhaal) was een jarenlange en peperdure ontwikkeling van een wonderballpoint die onder alle omstandigheden blijft schrijven. Bij temperaturen ver onder nul tot bij een gloeiendhete 300 graden, onder water en in de woestijn, en natuurlijk ondersteboven. Frappant detail: de Russen gebruikten gewoon een potlood…

Deze ballpoint is misschien niet een voorbeeld van een technologische toepassing zoals de ruimtevaartpioniers in gedachten hadden, maar toch. Het geeft een idee van de bijzondere eisen waar de apparatuur en technologie in de ruimte aan moet voldoen. Tijdens een ruimtewandeling wordt het materiaal van een astronaut blootgesteld aan de intense straling van de zon en extreem lage temperaturen van -270 oC.

Ruimteschipontwerpers moeten woekeren met ruimte, omdat de capsules en sondes klein en licht moeten zijn- dit drukte namelijk de kosten. Een ander probleem: hoe houdt de dokter op aarde de gezondheid van de astronauten in de gaten? Hij kan niet zomaar op “huisbezoek” komen, maar moet op een afstand van duizenden kilometers zijn werk doen.

Hoewel je bij ruimtevaart vaak aan het International Space Station (ISS), de Apollo 13 of de Space Shuttle denkt, wordt dikwijls vergeten dat de grootste impact van ruimtevaarttechnologieën in de geneeskunde is geweest.

De Space Shuttle in een baan rond de Aarde.

In het ziekenhuis

Een slachtoffer van een hartaanval wordt met de ambulance afgevoerd naar het ziekenhuis. Daar aangekomen leggen de artsen hem op de afdeling hartbewaking aan de monitor. Enkele pillen en infusen later is hij stabiel. Net op tijd. Kleine elektroden zijn hem op z’n borst geplakt. Met een andere sensor wordt de bloeddruk gemeten. Via een draadloos systeem stuurt de monitor de gegevens door naar de zusterspost, waar de zusters tien patiënten tegelijkertijd in de gaten houden. Tegenwoordig alledaagse praktijk in operatiekamers, op de intensive care en onderweg in ambulances overal ter wereld.

Een dergelijk spoedgeval mag zich natuurlijk niet in de ruimte voordoen. De gezondheid van de astronauten is tijdens een ruimtemissie van het grootste belang. Het mag niet voorkomen dat de ruimtevaarders onverwacht ziek worden; zij moeten immers het ruimteschip besturen! In het begin van de jaren zestig, toen de eerste Amerikaanse astronaut Alan Shepard met de Freedom 7 raket naar de ruimte vloog, was het de vraag: hoe houden de artsen zijn gezondheid vanaf de aarde in de gaten?

Op aarde werd dit in de jaren daarvoor met onhandige apparaten gedaan of door simpelweg een vinger op de pols te leggen. Duidelijk was dat dit niet mogelijk was in de ruimte. Zodoende ontwikkelde de NASA in samenwerking met het bedrijf Mennen Medical een systeem dat alle vitale functies van de astronaut (hartslag, bloeddruk etc.) op eenvoudige wijze kon meten en doorsturen. In de loop van de jaren zestig introduceerde Mennen Medical deze technologie op de markt. De elektroden en bloeddrukmeters in Medisch Centrum West en in ieder ander ziekenhuis ter wereld zijn daar een voorbeeld van.

Hartmonitor: in een ziekenhuis niet te missen.

De hartmonitor is niet de enige toepassing van de ruimtetechnologie in de geneeskunde. Er bestaat een heel scala aan medische apparaten, die gebaseerd zijn op ruimtetechnologieën als digitale beeldverwerking- en telemetriesystemen, miniscule elektronische sensoren en turbopompsystemen voor raketbrandstof.

Hartpomp

Het hartritme met een monitorsysteem controleren is natuurlijk uitermate handig en nuttig, maar er zijn ook veel patiënten van wie het hart helemaal niet of slecht gedeeltelijk functioneert. Tegenwoordig moeten deze hartpatiënten lang wachten op een harttransplantatie, soms te lang…

In 1984 onderging David Saucier, een ingenieur bij NASA, een harttransplantatie bij hartchirurg Dr. Micheal DeBakey. Zes maanden na de transplantatie ontstond het idee voor een revolutionaire hartpomp, gebaseerd op Space Shuttle technologie. Dr. DeBakey en Saucier bundelden hun krachten en werkten in avonduren en weekenden aan het eerste concept van de hartpomp. Daarbij maakten ze gebruik van een ontwerp voor een nieuwe generatie turbopompen, die NASA begin jaren tachtig voor het brandstofsysteem van de Space Shuttle ontwikkeld had. Op basis van dat ontwerp heeft het team van Dr. DeBakey een miniatuur versie van de turbopomp gemaakt, die als hartpomp geschikt was. In het begin ging dit zeer moeizaam, omdat het van cruciaal belang was dat de hartpomp de fragiele bloedcellen niet beschadigde.

De NASA hartpomp: van Shuttlemotor tot motor van het menselijk lichaam.

Toen duidelijk werd dat deze technologie veelbelovend en realiseerbaar was, ontving het team in 1992 een grote subsidie van de NASA, waardoor het onderzoek in een stroomversnelling belandde. In 1996 droeg de NASA de rechten van het pompontwerp over aan MicroMed Technology, dat met de klinische tests begon. In de daaropvolgende jaren werd de eerste pomp ingebracht bij een 56-jarige hartpatiënt in Berlijn: het werd een succesvolle test. Inmiddels is de DeBakey hartpomp bij honderden mensen succesvol geïmplanteerd.

Volgens MicroMed zal de miniatuurpomp binnen enkele jaren als permanente hartvervanging kunnen dienen, waardoor patiënten niet meer afhankelijk zijn van de schaarse transplantatieharten. Het onderzoek van DeBakey en Saucier heeft de afsluiting van dit medisch vraagstuk sneller nabij gebracht.

Implantaten

Vele chronisch zieke patiënten ontvangen dagelijks medicijnen. Tot begin jaren negentig gingen deze patiënten vrijwel iedere dag naar het ziekenhuis voor allerlei tests. Daar kwam vanaf 1988 verandering in toen een groep aan de Johns Hopkins University een implantaat ontwikkelde, dat automatisch een medicijn toedient op basis van gegevens die ingebouwde sensoren doorgeven. Deze zogenaamde PIMS (Programmable Implantable Medication System) gebruikt een minipomp die NASA in 1975 ontwikkeld heeft voor het biologische laboratorium van de Viking Marslander. De arts stelt de PIMS op afstand in via een telemetriesysteem dat veel lijkt op het systeem dat de hoogte van ruimteschepen controleert.

Een ‘PIMS’, die automatisch de dosering van een medicijn regelt.

Diabetespatiënten ontvingen als eersten in de loop van de jaren negentig een dergelijke PIMS. Het implantaat functioneert in dat geval als een kunstmatige alvleesklier die automatisch het bloedsuikerniveau regelt en zo de dagelijkse insuline-injecties overbodig maakt. Deze spin-off heeft de levens van suikerpatiënten en andere chronisch zieken radicaal veranderd.

CT-scanners

Het maken van een MRI of CT-scan is normale praktijk in het ziekenhuis. Maar om de beelden van deze scan fatsoenlijk op het scherm te toveren moet een gigantische hoeveelheid data verwerkt worden. De NASA had in de jaren zestig problemen met de foto’s die de Surveyor maanlanders naar de aarde terugzonden: ze waren vaak vervormd en van lage kwaliteit.

Onder leiding van Dr. Robert Nathan van het NASA Jet Propulsion Laboratory startte de ontwikkeling van de software voor digitale beeldbewerking. Deze software zet een analoog signaal om in een digitaal signaal, waar de computer vervolgens alle onbruikbare beeldpunten uitfiltert. Toepassing van deze techniek leverde scherpe beelden van het maanoppervlak op. Dit was het begin van een serie vooruitgangen op het gebied van beeldbewerking, gestimuleerd door de noodzaak de steeds grotere en gedetailleerdere ruimtefoto´s te kunnen verwerken.

In de jaren volgend op zijn eerste versie van digitale beeldbewerking, probeerde Dr. Nathan samen met Robert Selzer en Kenneth Castleman deze digitale technieken te gebruiken om de beelden van elektronen- en lichtmicroscopen te optimaliseren. Medische technologiebedrijven namen dit onderzoek uiteindelijk over en het leidde tot de toepassing van digitale beeldbewerkingtechnieken in medische apparatuur zoals CT- en MRI-scanners, die artsen een beter beeld geven wat er zich in het lichaam afspeelt.

Temperfoam

Met al deze medische toepassingen vraag je je misschien af wat de andere toepassingen van ruimtetechnologie zijn. De bekendste hiervan zijn de vele soorten satellieten voor bijvoorbeeld televisie, telefonie, GPS en aardwaarneming. Minder bekende toepassingen zijn er ook. Denk daarbij aan speciale filters die virusdeeltjes van het vogelgriepvirus uit de lucht halen (afgeleid van een filtersysteem wat in het ISS gebruikt wordt) of vuurvaste materialen voor brandweerkleding (ontwikkeld na de tragische cockpitbrand van de Apollo 1 in 1967). Erg bijzonder is het zogenaamde TemperFoam.

Temperfoam neemt iedere vorm over.

Met het idee een nieuwe, comfortabelere vliegtuigstoel te ontwikkelen bedacht het NASA Ames Research Laboratory een speciaal soort schuim: TemperFoam. Dit schuim neemt niet alleen de precieze vorm aan van objecten die erin gedrukt worden, maar keert ook terug naar zijn oorspronkelijke vorm, zelfs na compressie van 90%. Een opmerkelijke eigenschap is dat een zes centimeter dikke laag TemperFoam de val van een volwassen persoon vanaf drie meter hoogte volledig dempt: het Temperfoam absorbeert de valenergie. Daarom wordt het gebruikt voor de stoelen in de Space Shuttle om de enorme schokken en versnellingen tegen te gaan, die astronauten bij de lancering ondervinden. Op aarde zit TemperFoam in kussens, matrassen en natuurlijk in de stoelen van een vliegtuig.

Vruchtbare samenwerking

Ook al zijn de meeste van de ruimtetechnologieën in het dagelijkse leven niet opvallend, invloedrijk en onontbeerlijk zijn ze wel, behalve misschien die ballpoint. Technologieën ontwikkeld om ruimtevaart mogelijk te maken, zijn succesvol toegepast hier op aarde. De bouw van de volgende generatie ruimteschepen voor de reizen naar de Maan en Mars zal de inventiviteit van wetenschappers opnieuw op de proef stellen. Maar wat de nieuwe Mars- en Maantechnologieën op aarde teweeg zullen brengen? Only time will tell.

Over de auteur

Anthony Birnie is derdejaars Bachelorstudent Natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam.

Dit artikel is een publicatie van Universiteit van Amsterdam (UvA).
© Universiteit van Amsterdam (UvA), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 29 november 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.