WEST LAFAYETTE / LONDON (IT BOLTWISE) – NASA plant mit Artemis die Rückkehr zum Mond und steigert damit den Bedarf an belastbarer Atemluft unter Mikrogravitation. Forschende an der Purdue University untersuchen, warum CO2 in der Nähe des Gesichts „stehen bleibt“ und dadurch die Wahrnehmung im Flug beeinträchtigen kann. Der neu entwickelte Ansatz ARES nutzt aktive Luftpumpen, um CO2 in sehr kurzen Intervallen zu messen. Damit soll die Environmental Control and Life Support System-Logik gezielter reagieren und sowohl Astronauten als auch Anwendungen auf der Erde profitieren.
Unter Mikrogravitation wird aus einem einfachen Atemproblem schnell ein Sicherheits- und Leistungsfaktor. Auf der Erde sorgen Schwerkraft und Auftrieb dafür, dass die Ausatemluft mit Kohlenstoffdioxid (CO2) vom Körper wegströmt und nicht erneut in die Atemzone gelangt. Im All und auch auf dem Mond fällt dieser Effekt weitgehend weg: Die Strömungen rund um den Menschen bewegen sich langsamer, und CO2 kann sich vor dem Gesicht ansammeln. Genau diese Lücke adressiert eine aktuelle Studie zu menschlicher Atmung unter veränderten Gravitationsbedingungen, mit dem Ziel, CO2-Spitzen früher zu erkennen und Gegenmaßnahmen präziser einzusetzen.
Der physikalische Kern lässt sich mit „buoyancy-driven convection“ erklären: In 1g dominiert ein Auftriebs-getriebenes Nachströmen, das die Atemzone effektiv durchmischt. In 0g beziehungsweise bei reduzierter Gravitation wird CO2 dagegen weniger schnell von der Person wegtransportiert; es bildet eine Art Blase in direkter Umgebung. Für die Bordtechnik bedeutet das eine andere Regelungsdynamik, obwohl Environmental Control and Life Support Systems (ECLSS) grundsätzlich den Luftaustausch und die CO2-Abscheidung überwachen. Die im Raumfahrtbetrieb relevanten Zielwerte liegen typischerweise bei etwa 1.000 Teilen pro Million (ppm); die Internationale Raumstation kann CO2 nach Angaben zur Praxis bis auf etwa 2.000 ppm absenken, wodurch bei ungünstigen Lastspitzen dennoch spürbare Symptome auftreten können.
Technisch spannend ist, dass das Problem nicht nur „wie viel“ CO2 vorhanden ist, sondern „wie schnell“ sich die Konzentration zeitlich und räumlich verändert. In klassischen Raumanzugs- und Stationssensorik-Setups gilt als Engpass, dass Messungen möglicherweise nicht schnell genug erfolgen, um rechtzeitig zu Gegensteuerungsmaßnahmen zu greifen. Die neue ARES-Variante (Atmospheric Redox Exchange Systems) setzt deshalb auf aktive Abfrage: Luft wird mit Pumpen in sehr kurzen Intervallen um die Messstelle bewegt, sodass die Konzentration praktisch im Millisekunden-Takt geprüft werden kann. In einer Helm-Integration soll das die Atemzone besser abbilden als Sensoren, die nur die Bulk-Luft betrachten, und damit die Grundlage für eine wirksamere Regelung schaffen.
Für die Validierung der Strömungsszenarien kombinieren die Forschenden ARES mit Thermalkameras sowie Rechenmodellen. Solche computational fluid dynamics (CFD)-Simulationen nutzen Wärmebilddaten, um nachzuvollziehen, wie sich ein Atemstrom im Raum ausbreitet. Dabei werden typische Schwerkraftzustände als „1g“ (Erde) und „0g“ (Mond/All) modelliert. Der Vorteil dieser Kopplung liegt in der Ableitbarkeit: Aus der CFD-Visualisierung lässt sich ableiten, wo Luft gezielt „hin“ geführt werden sollte, statt nur den Gesamtwert der Anlage zu regeln. Damit wird aus einem rein laborgestützten Sicherheitsziel ein Engineering-Parameter für die Luftumwälzung.
Marktseitig ist der Ansatz vor allem deshalb relevant, weil Raumfahrt-Software und Sensorik zunehmend als Gesamtsystem gedacht werden: Der Sensor liefert die Situationserkennung, die ECLSS-Logik entscheidet, und Aktuatoren setzen um. Wettbewerber in der Luft- und Raumfahrttechnik – etwa große Systemintegratoren und Sensorhersteller aus dem Umfeld von Raumfahrt-Avionik und Life-Support – verfolgen ebenfalls Mess- und Regellösungen, allerdings häufig mit Fokus auf robuste Bulk-Messung. Was ARES potenziell anders macht, ist die höhere zeitliche Auflösung direkt an der Atemschnittstelle. Branchenanalysten rechnen damit, dass präzisere In-situ-Daten künftig auch die Auslegung der Luftzirkulation in Anzügen, Rettungsmodulen und Standanlagen beeinflussen, weil sie Fehlbedienung durch „zu späte“ Alarme reduzieren können.
Auch auf der Erde zeigt der technische Hebel Wirkung. In Labor- und Betreiberumgebungen lassen sich CO2-Probleme zwar über zentrale Raumwerte überwachen, doch gerade dort, wo Luftströmung stark lokal schwankt (z. B. Flugzeugkabinen oder hohe Gebäude mit komplexen Zuluft-/Abluftwegen), ist die Frage entscheidend, ob die Sensorik die Atemzonen wirklich trifft. Das Konzept, stärkere Luftströme gezielt dorthin zu lenken, wo Menschen am stärksten von CO2 betroffen sind, entspricht einer Regelstrategie mit Lastmodell statt pauschaler Lüftung. Das ist ein typisches MLOps-/Controls-Thema: Wenn die Messdaten schneller und lokaler sind, können Betriebsalgorithmen besser lernen, wann und wo Luftbewegung die CO2-Werte tatsächlich stabilisiert.
Für die Zukunft liefert das Projekt gleich mehrere Anschlussfelder. Erstens kann die CFD-Methodik in NASA-nahen Programmen wie der Untersuchung lunarer Effekte auf landwirtschaftliche Flora helfen: Dort geht es um Grenzschichten an Blättern, in denen Gaswechsel und Transpiration stattfinden. Wenn CO2- und Strömungsmuster durch Mikrogravitationsbedingungen verändert werden, könnte die Vorhersage dieser Grenzschicht-Mechanik künftig besser gelingen. Zweitens entsteht in der Human-Performance-Forschung eine Brücke: Die Kombination aus neuen CO2-Messungen und einem Bluttest, der mitochondrialen Response auf verschiedene Expositionen untersucht, zielt darauf ab, Umweltparameter mit neurologischer Leistungsfähigkeit und Erkrankungsprofilen (z. B. Multiple Sklerose oder Parkinson) zu verknüpfen. Drittens dürfte die nächste Geräteiteration weniger auf Proof-of-Concept, sondern stärker auf industrielle Fertigung, Kalibrierbarkeit und Wartungszyklen ausgerichtet sein.
Für Unternehmen, die an KI-gestützter Überwachung und Steuerung arbeiten, ergibt sich daraus ein konkreter Engineering-Nutzen: Echtzeit-nahe Messdaten eignen sich besser für datengestützte Regelung, plattformübergreifende Telemetrie und nachvollziehbare Risikoanalysen. Gleichzeitig bleibt die regulatorische und sicherheitsrelevante Seite zentral. In einem Lebensumfeld mit Personen müssen Messwerte zuverlässig, manipulationsarm und gut dokumentiert sein; außerdem ist der Umgang mit Gesundheitsdaten aus ergänzenden Bluttests datenschutzrechtlich besonders sensibel. Praktisch heißt das: Wenn ARES-ähnliche Sensorik später in Raumfahrt- oder Gebäudesysteme integriert wird, müssen Hersteller nicht nur die Sensorperformance, sondern auch Auditierbarkeit, Kalibrier-Management und Datenschutzkonformität von Anfang an mitdenken.
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