Die Auswirkungen von G-Kräften auf den menschlichen Organismus

Inhalt

I. Einleitung

II. Hauptteil
1. Physikalische Grundlagen
1.1. Arten von G-Kräften
2. Auswirkungen auf den menschlichen Organismus
2.1. Positive Beschleunigungen ()
2.2. Negative Beschleunigungen ()
2.3. Transverse (/) und laterale Beschleunigungen ()
2.4. Stoßartige G-Kräfte
2.5. Weitere Faktoren
3. Präventive Maßnahmen zur Erhöhung der G-Toleranz
3.1. Anti-G-Hose
3.2. Anti-G-Anzug („Libelle“)
3.3. Anti-G-Straining-Maneuver (AGSM)
3.4. Überdruckbeatmung (Positive Pressure Breathing, PPB)
3.5. Änderung der Körperlage
3.6. Zentrifugen-Training
3.7. Körperliches Training
3.8. Ernährung
4. Sinnesillusionen und räumliche Desorientierung
4.1. Die Otolithen und ihre Funktionen
4.2. Verschiedene vestibuläre Täuschungen und ihre Effekte bzw. Risiken
5. Auszüge eines Interviews mit einem ehemaligen Kampfpiloten

III. Schluss

IV. Anhang

1. Begriffserläuterungen (chronologisch)

2. Literaturverzeichnis

3. Abbildungsverzeichnis

4. Internetquellen

5. Abbildungen

I. Einleitung

In der vorliegenden Facharbeit geht es um G-Kräfte. Die folgenden Fragen sollen beantwortet werden:

I. Was sind G-Kräfte?
II. Welche Auswirkungen haben sie auf den menschlichen Organismus?
III. Welche präventiven Maßnahmen gibt es, um diese möglichst gering zu halten?

Es handelt sich um eine Literaturrecherche. Zusätzlich wurde ein Interview mit einem ehemaligen Kampfpiloten geführt, um die Befunde zu validieren und zu verdeutlichen. Aufgrund eigenen Interesses und der Tatsache, dass mehrere meiner Familienmitglieder den Beruf des Piloten ausüben, bot sich dieses Thema an, zumal ich dadurch teilweise direkten Zugang zu Fachliteratur hatte.

G-Kräfte geben eine beschleunigende Kraft an und sind unter anderem in der Kampffliegerei, aber auch z. B. im Kunstflug, bei Achterbahnfahrten oder Autorennen, von Relevanz. Das Risiko von Unfällen in der Kampffliegerei ist sehr groß. Die G-Kräfte haben daran einen erheblichen Anteil. Deswegen spielen sie in der Flugmedizin eine signifikante Rolle.

„Die Flugmedizin ist das Spezialgebiet der Medizin, das sich mit der Erfassung und Erhaltung der Gesundheit, Sicherheit und Leistungsfähigkeit derer befasst, die in der Luft oder im Weltraum fliegen.“¹

Mittlerweile ist die Technik so weit fortgeschritten, dass nicht mehr die Flugzeuge und deren Stabilität Grenzen bei der Belastung durch G-Kräfte setzen, sondern die Piloten, die den Auswirkungen der G-Kräfte selbst mit technischen Hilfsmitteln nur bis zu einem gewissen Maß standhalten können.

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den länger anhaltenden, senkrechten, positiven G-Kräften, die Kampfpiloten am stärksten beeinträchtigen.

Um eine Vertiefung des Themas „Beschleunigende Kräfte“ zu erreichen, wurden Sinnesillusionen und räumliche Desorientierung zusätzlich betrachtet.

Hervorhebungen wurden kursiv gedruckt.

II. Hauptteil

1. Physikalische Grundlagen

Verändert ein Körper seine Geschwindigkeit (v) und/oder seine Richtung (s), so wird er beschleunigt. Die Geschwindigkeit und die Beschleunigung sind Vektoren, haben also immer eine bestimmte Richtung und einen Betrag. Es gibt vier Arten von Beschleunigung: Die lineare, radiale, rotatorische und anguläre Beschleunigung. Die Beschleunigung (a) wird in Metern (m) pro Sekunde zum Quadrat (s²) angegeben, da man die Geschwindigkeit durch die zurückgelegte Strecke teilt:

1 G entspricht der durchschnittlichen Erdbeschleunigung oder Erdanziehungskraft zum Erdmittelpunkt hin, die auf der Welt wirkt. Sie beträgt , z. B. wenn man einen Körper fallen lässt. Die G-Kräfte geben das Vielfache der Erdbeschleunigung, die auf einen Körper wirkt, an. Die Kraft ist das Produkt aus Masse m mal Beschleunigung a, . Mit G als Gewichtskraft, der Masse m und der Beschleunigung folgt daraus . Wirkt auf einen Mann mit einer Masse von eine Kraft von 4 G, so wirkt auf ihn eine Kraft von , da Kraft normalerweise in Newton (N) anstatt in G angegeben wird. Dabei gilt: ²

Das Trägheitsgesetz besagt: „Jeder Körper beharrt in seinem augenblicklichen Bewegungszustand, wenn er nicht durch Kräfte gezwungen wird, dies zu ändern.“³ Eben dieser Kraft, die einen Körper auf seiner Bahn hält, wirkt die eigentliche beschleunigende Kraft G entgegen. Häufig werden die Richtungen, in die diese zwei Kräfte wirken, verwechselt. Dieser Irrtum tritt oft auch bei der Unterscheidung zwischen der Zentripetalkraft, die nach innen hin wirkt und der Zentrifugalkraft oder Fliehkraft, die die Massenträgheit beschreibt, auf. Umgangssprachlich spricht man meist von den G-Kräften, wobei man damit die eigentliche Beschleunigungskraft meint und nicht die Kraft, die dieser entgegengesetzt ist. Deswegen erfolgen die physiologischen Auswirkungen der G-Kräfte, z. B. das Gefühl, in eine bestimmte Richtung gedrückt zu werden, auch entgegen der Richtung, in die eigentliche Beschleunigung wirkt.⁴

1.1. Arten von G-Kräften

Die länger anhaltenden G-Kräfte (sustained accelaration) können teilweise bis zu mehreren Minuten während bestimmter Flugmanöver andauern und haben hauptsächlich physiologische Schäden (s. Anhang) zur Folge. Die sog. stoßartigen G-Kräfte (impact/transient accelaration) sind so definiert, dass sie nur von sehr kurzer Dauer, nicht länger als ein bis zwei Sekunden, und sehr groß sind, z. B. bei einer Vollbremsung beim Autofahren. Die daraus resultierenden Schäden sind meist mechanischer Art (s. Anhang). Um die Richtung der G-Kräfte festzulegen, nutzt man ein Koordinatensystem, welches von der Position des Kopfes bzw. der Körperlängsachse abhängt. Dabei verläuft die z-Achse vertikal, die y-Achse horizontal von rechts nach links und die x-Achse auch horizontal von hinten nach vorne zum Kopf (s. Abb. 1 im Anhang). Mithilfe der drei Achsen werden die G-Kräfte genauer beschrieben und heißen dann - oder senkrechte, - oder transverse und - oder laterale Beschleunigungen. Sie werden noch in positive (+) bzw. negative (-) G-Kräfte unterteilt. Außerdem hängen die G-Kräfte vom Betrag, der Einwirkzeit der gesamten bzw. maximalen G-Kraft, der Beschleunigungszuwachsrate⁵ und der exponierten Fläche des beschleunigten Körpers ab.⁶

2. Auswirkungen auf den menschlichen Organismus

2.1. Positive Beschleunigungen ()

Die positiven G-Kräfte in senkrechter Richtung können z. B. im engen Kurvenflug oder beim Abfangen aus dem Sturzflug auftreten. Dort hat der Pilot das Gefühl, in den Sitz gedrückt zu werden. -Belastungen führen zu Bewegungseinschränkungen, die mit steigender Intensität den Körper immer stärker beeinträchtigen. Erste Auswirkungen sind dabei, dass es schwieriger wird, Arme und Beine anzuheben bzw. ab ungefähr die Augenlider offenzuhalten. Wird die Belastung noch größer, fehlt den Muskeln die Kraft, die Lungenabschnitte oben zu halten, um eine Beeinträchtigung der Rippen- und Zwerchfellatmung zu vermeiden. Aufgrund der Massenträgheit wird sozusagen der gesamte Körper mit all seinen Flüssigkeiten und Organen nach unten gedrückt, woraus z. B. ein Zwerchfelltiefstand resultieren kann, der eine Längsdeformierung des Herzmuskels zur Folge hat.⁷

Bei großen -Belastungen kann es zu Ventilations-Perfusions-Störungen (s. Anhang) der Lunge kommen. Das Blut im Körper sackt nach unten, wodurch die oberen Lungenalveolen nicht ausreichend und die unteren sehr stark durchblutet werden. Auch die Ventilation der Lunge erfolgt unter höheren nicht mehr regelmäßig. Aufgrund eines größeren pulmonalen hydrostatischen Druckes (s. Anhang) wird das Blut zu den unteren Lungenlappen gedrängt, wodurch die Luft nach oben gedrückt wird. Während einer Beschleunigung weiten sich, durch die verhältnismäßig viel größere Dichte von Luft zu Blut, die Alveolen im oberen Bereich der Lunge aus und die Alveolen im unteren Bereich ziehen sich zusammen. Aufgrund von mangelnder Ventilation im unteren bzw. mangelnder Perfusion im oberen, kommt es lediglich im mittleren Bereich der Lunge zu einem ausgeglichenen Austausch von Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff.⁸

Das Blut versackt aufgrund der Massenträgheit im unteren Bereich des Körpers, da es sich im Gegensatz zu den Organen nicht fest an einer Stelle befindet. Dadurch kommt es zu großen Blutdruckunterschieden, die im Extremfall zu einem Blutdruck von 0 mmHg (s. Anhang) anstatt 80 mmHg bei einem ausgewachsenen Mann im Kopf führen können, wohingegen der hydrostatische Druck in den Füßen ca. 370 mmHg anstatt 100 mmHg beträgt. Der fehlende arterielle Blutdruck im Kopf führt dann zu einer Minderdurchblutung im Gehirn und der Netzhaut des Auges. Es kann von verschiedenen Sehstörungen bis hin zur Bewusstlosigkeit (G-LOC⁹ ) und anämischen Hypoxie (s. Anhang) im Gehirn kommen.¹⁰

Auch der Herz-Augen-Abstand bzw. die Hubhöhe des Herzens, die normalerweise ca. 30 cm beträgt, müssen in Bezug auf körperliche Auswirkungen betrachtet werden. Bei einer Einwirkung von z. B. wird dieser aber mit 150 cm fünfmal so groß. Dies darf nicht so verstanden werden, dass der Körper bei einer derartigen Belastung fünfmal so lang wird, sondern dass es aufgrund der veränderten hydrostatischen Verhältnisse nun im Verhältnis ein fünfmal so langer Weg für das Blut ist (s. Abb. 2).¹¹

Unter hohen kommt es auch zu kardiovaskulären Veränderungen. Der venöse Rückstrom sinkt aufgrund eines größeren hydrostatischen Druckes, der dem venösen Druck entgegenwirkt. Da der Körper unter erhöhten versucht, die Herzleistung (s. Anhang) aufrechtzuerhalten, steigt die Herzschlagfrequenz. Bei zu großen Belastungen kann die Herzleistung aber nicht aufrechterhalten werden, da das Herzschlagvolumen wegen des kleiner werdenden venösen Rückstroms reduziert wird. Die verminderte Herzleistung kann vom Körper aber größtenteils ausgeglichen werden, indem lebenswichtige Organe, wie das Herz und das Gehirn, stärker durchblutet werden als die übrigen Organe. Am stärksten negativ beeinträchtigt werden hierdurch die Eingeweide und die Augen. Leichte Herzerkrankungen können deswegen bei Einwirkungen von G-Kräften bereits ein großes Risiko mit teilweise bleibenden Schäden darstellen, da Ischämien (s. Anhang) auftreten können.¹²

Die kardiovaskulären Funktionen sind nahezu die verletzlichsten physiologischen Funktionen während einer hohen Belastung. Deswegen sind Elektrokardiogramme (EKG) essentiell, um Forschung zu betreiben und gesundheitliche Schäden zu vermeiden. Mithilfe eines EKGs lassen sich Herzrhythmusstörungen feststellen, die teilweise erst nach der Belastung auftreten, aber nur in wenigen Fällen wirklich die G-Toleranz¹³ senken. Unter starken Beschleunigungen sind zahlreiche Rhythmusstörungen zu messen, wobei die meisten aber keine signifikanten Folgen haben. Eine Ausnahme davon bildet der sog. Sinusarrest, ein Ausfall der Reizbildung im Sinusknoten, mit einem folgenden kurzzeitigen Herzstillstand. Dadurch fehlt kurzzeitig die Herzleistung, wodurch es zur Bewusstlosigkeit kommen kann bzw. die Zeit verlängert wird, wenn unter hohen die Bewusstlosigkeit bereits eingetreten ist. Diese teilweise folgenschweren Ausnahmen zu ermitteln, erweist sich als schwierig.¹⁴

Damit geht es nun um die Bewusstlosigkeit, die unter hohen eintreten kann. Durch sehr geringen Blutdruck im Gehirn bzw. durch die zuvor erwähnte Ventilations-Perfusionsstörung der Lunge kann es zu einer hypovolämischen Hypoxie (s. Anhang) kommen. Das Gehirn wird nicht mit genügend Blut und folglich nicht mit genügend Sauerstoff versorgt, welches Ausfallerscheinungen, vornehmlich Sehstörungen, zur Folge hat. Bei steigenden kommt es erst zu einem Verlust des peripheren Gesichtsfeldes (PLL¹⁵ ), wenn der Blutdruck auf Augenhöhe ca. 50 mmHg beträgt. Dies führt dann zu dem sog. Röhrensehen, auch Tunnel Vision genannt. Kurz danach ab ungefähr folgt ein Verlust des Farbsehens, da die Zapfen in der Retina (Netzhaut) nicht mehr funktionieren, weil die Durchblutung nicht ausreicht. Dieses Phänomen bezeichnet man als Greyout. Ab ungefähr kann es durch einen Sauerstoff-mangel im Blut um die Netzhaut zum sog. Blackout kommen, bei dem man noch bei Bewusstsein ist, allerdings nichts mehr sehen kann. Der Blutdruck auf Augenhöhe von ca. 20 mmHg reicht nur noch für die Funktion einiger anderer Gehirnareale aus, um z. B. etwas zu hören. Da der Augeninnendruck aber normalerweise bei ca. 15 - 20 mmHg liegt, gibt es zwischen dem Blutdruck im Gehirn und dem Augeninnendruck keinen signifikanten Gradienten mehr, um eine Durchblutung der Netzhaut zu gewährleisten. Allerdings ist es möglich für sehr kurze Zeiten noch viel größeren -Belastungen ohne Sehstörungen standzuhalten, da die Sauerstoffreserven im Gehirn und den Augen bzw. der Netzhaut für einige Sekunden ausreichen. Die angegebenen Toleranzgrenzen können natürlich je nach persönlicher Verfassung sowohl nach oben als auch nach unten abweichen. Wird die Belastung durch die zu groß, so tritt die Bewusstlosigkeit ein (G-LOC), da die Blutversorgung des zentralen Nervensystems eine kritische Grenze unterschritten hat. Diese Grenze variiert stark von Mensch zu Mensch. Während des Fliegens bewusstlos zu werden, ist unabhängig davon, ob es sich um Kampffliegerei oder Kunstflug handelt, extrem gefährlich. Die zuvor auftretenden visuellen Störungen können und sollten als Warnsignale erkannt werden, um mögliche Gegenmaßnahmen anzusetzen bzw. die Belastung zu verringern. Bei sehr hohen Beschleunigungszuwachsraten von über kann es auch zu sofortiger Bewusstlosigkeit ohne Vorwarnung kommen. Die Bewusstlosigkeit kann man in zwei Phasen von individueller Dauer einteilen. Die absolute Phase dauert ca. 2 - 38 s, während der man vollkommen bewusstlos ist. Dieser folgt die relative Phase mit einer Dauer von ca. 2 - 97 s, die durch Verwirrung und Orientierungslosigkeit gekennzeichnet ist. Im Durchschnitt vergehen meist mindestens 15 s bis zur völligen Erholung. Außerdem kann es aufgrund der Mangeldurchblutung des Gehirns zu Gedächtnisverlust vor bzw. während des Manövers kommen, welches die Reorientierungsphase noch verlängert. Dies kann in Kampfflugzeugen mit Geschwindigkeiten von bis zu vor allem im Tiefflug oder während anderer Manöver fatal sein und hat schon zu Verlusten zahlreicher Piloten geführt.¹⁶

Die Anzahl der Hormone Adrenalin, Noradrenalin und Cortisol (Hydrocortison) im Blut, die vom sympathischen Nervensystem (s. Anhang) ausgesandt werden, steigen mit einer größeren -Belastung. Folglich haben die auch Auswirkungen auf andere Stoffwechselvorgänge im Körper. In diesem Fall ist vermutlich Stress ein Auslöser der Produktion dieser spezifischen Hormone.¹⁷

2.2. Negative Beschleunigungen ()

Negative Beschleunigungen () wirken auf den Körper z. B. beim Rückenflug, also verkehrtherum fliegen, oder bei einem vorwärts geflogenen Looping. Dabei fühlt es sich für den Piloten so an, als würde er aus dem Sitz gehoben. Er wird in die Schultergurte gedrückt. Die stellen in der Kampffliegerei normalerweise kein Problem dar, da man mithilfe einer einfachen Rolle die Richtung der G-Kräfte vertauschen kann und somit wieder wirken. Problematisch werden hauptsächlich im Kunstflug. Im Gegensatz zu den versackt das Blut nicht in den Füßen, sondern wird in Richtung des Kopfes verschoben, wodurch es zu einer Blutüberfüllung des Gehirns und der Augen und folglich dort zu einem viel zu großen Blutdruck kommt. Durch sinkt die Herzschlagfrequenz stark und das Lungenvolumen verkleinert sich fast um ein Viertel. Die Reißfestigkeit der Hirngefäße ist geringer als die der übrigen Gefäße im Körper. Deswegen hat der Mensch im Gegensatz zu den eine wesentlich geringere Toleranz gegenüber den . Bei länger anhaltenden, größeren Belastungen als besteht das Risiko der Ruptur eines Hirngefäßes, welches zu Dauerschädigungen oder durch Hirnblutungen, wie z. B. bei Aneurysmen, zum Tod führen kann. Auch bei den können Sehstörungen auftreten, die als sog. Rotsehen oder Redout bezeichnet werden. Hierbei wird das muskellose Unterlid des Auges durch die Massenträgheit nach oben geschoben, wodurch man wie durch einen Rotschleier sieht.¹⁸

2.3. Transverse (/) und laterale Beschleunigungen ()

Transverse Beschleunigungen wirken z. B. beim Landen und abruptem Abbremsen auf einem Flugzeugträger () bzw. beim Start (). Die Toleranzgrenze des Menschen gegenüber diesen Beschleunigungen ist wesentlich größer, als gegenüber den . Man könnte deswegen durch eine Bauch- bzw. Rückenlage des Piloten die G-Toleranz erhöhen. Dies ist in der Kampffliegerei konstruktionstechnisch nicht möglich, wurde aber z. B. in Raketen der NASA genutzt, um Astronauten beim Start bzw. beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zu schützen. -Belastungen führen dazu, dass die Herz-leistung im Gegensatz zu den steigt. Es kommt zu keiner Minderdurchblutung des Gehirns. Die Blutverteilung unterscheidet sich lediglich minimal von der Körperrück-seite zur Körpervorderseite. Unterschiede bestehen zwischen und vor allem während der Atmung. Während positiver wird die Lunge gegen die Wirbelsäule gepresst, wodurch bei z. B. das Lungenvolumen um bis zu 50 - 75 % verkleinert wird. Dies führt zu einer erheblichen Einschränkung der Atmung. Bei wird das Lungenvolumen hingegen nur um 15 % kleiner, da die Lunge fast nicht behindert wird. Weiterhin wird die Lunge in der Ausatemposition gehalten, welches zum Ausgleich eine forcierte Zwerchfellatmung erfordert. Ab Werten von kann es zu einem starken Tränen der Augen kommen.¹⁹

Die Auswirkungen durch laterale () ähneln stark denen durch transverse Beschleunigungen und werden auch in dem Großteil der Fachliteratur nicht näher erläutert, da die Toleranzgrenze des Menschen bei beiden selbst in der Kampffliegerei normalerweise nicht erreicht wird.²⁰

2.4. Stoßartige G-Kräfte

Stoßartige G-Kräfte (impact accelaration) dauern nicht länger als 2 s an. Meist sind mechanische Schäden, vor allem Verletzungen an der Wirbelsäule bzw. im Halsbereich, z. B. durch das plötzliche Herausschießen aus dem Flugzeug mit einem Schleudersitz, die Folge. 50 % der Überlebenden eines Rettungsausschusses weisen Gliedmaßen-verletzungen auf. Um das Verletzungsrisiko zu verringern, konstruiert man Schleuder-sitze so, dass Werte von nicht überschritten werden. Bei sehr großen Beschleunigungszuwachsraten kann es zum sog. A-LOC (Almost G-induced Loss Of Consciousness) kommen, der Ähnlichkeiten zum G-LOC aufweist, wie z. B. den Verlust der Erinnerung und einiger motorischer Fähigkeiten. Er ist aber von viel kürzerer Dauer und führt nicht zu vollständiger Bewusstlosigkeit. Der Körper kann stoßartigen G-Kräften von bis zu +25 G in der vertikalen Achse (z) und +45 G in den horizontalen Achsen (x und y) standhalten. ²¹

[...]

¹ Vgl. DeHart u. A., Vorwort 2. Auflage

² Vgl. DeHart, S. 101 f.

³ Götz, S. 12

⁴ Vgl. Kompendium, S. 88

⁵ G-rate of Onset: Maß, um das sich die Beschleunigung in einer bestimmten Zeit verändert

⁶ Vgl. DeHart, S. 100 f.; Vgl. Kompendium der Flugmedizin (Kompendium), S. 90-94; Vgl. London Metropolitan University (L. M. University), S. 2.17 f.

⁷ Vgl. Kompendium, S. 91, 94; Vgl. Draeger u. A., S. 65 f.; Vgl. L. M. University, S. 2.18

⁸ Vgl. DeHart, S. 133-135

⁹ G-LOC: G-induced Loss Of Consciousness

¹⁰ Vgl. Kompendium, S. 95 f.

¹¹ Vgl. Kompendium, S. 95 f.

¹² Vgl. DeHart, S. 126 f.; Vgl. Draeger, S. 64

¹³ G-Toleranz: Maß, bis zu dem man die verschiedenen G-Kräften tolerieren kann, also eine ausreichende Durchblutung des Gehirns gewährleisten kann, ohne bewusstlos zu werden (s. Kapitel 3.)

¹⁴ Vgl. DeHart, S. 126-131

¹⁵ PLL: Peripheral Light Loss

¹⁶ Vgl. DeHart, S. 136-138; Vgl. L. M. University, S. 2.18; Vgl. Whinnery, Abstract

¹⁷ Vgl. DeHart, S. 135

¹⁸ Vgl. Kompendium, S. 99 f.; Vgl. DeHart, S. 151; Vgl. L. M. University, S. 2.18

¹⁹ Vgl. DeHart, S. 151 f.; Vgl. Kompendium, S. 100 f.; Vgl. Draeger, S. 67-69

²⁰ Vgl. Kompendium, S. 100 f.

²¹ Vgl. DeHart, S. 107, 138; Vgl. Kompendium, S. 328 ff.; Vgl. L. M. University, S. 2.18