Was passiert mit Knochen, wenn die Schwerkraft verschwindet? TU Darmstadt untersucht Auswirkungen der Schwerelosigkeit
Lange Aufenthalte im All können die Knochen schwächen – ein Risiko für künftige Missionen zum Mond oder Mars. Forschende vom Fachbereich Maschinenbau der TU Darmstadt untersuchen deshalb, ob gezielte mechanische Reize den fehlenden Einfluss der Schwerkraft ersetzen können. Das Projekt ist Teil des „Cellbox-Programms“ der Deutschen Raumfahrtagentur, eine Forschungsinitiative, die biologische und medizinische Experimente in der Schwerelosigkeit ermöglicht.
Der Abbau von Knochenmasse ist eine der größten Herausforderungen bei längeren Aufenthalten im All. Ohne Schwerkraft fehlt dem Körper ein entscheidender Reiz – mechanische Belastung. Knochen sind jedoch lebendes Gewebe, das auf Belastung reagiert und sich kontinuierlich erneuert. Fehlt dieser Reiz, gerät das Gleichgewicht zwischen Knochenaufbau und Knochenabbau aus der Balance. Die Folge: Der Körper verliert innerhalb kurzer Zeit Knochenmasse.
Für Missionen zum Mond oder Mars ist das ein ernstzunehmendes medizinisches Risiko. Denn je länger sich Menschen in Schwerelosigkeit aufhalten, desto stärker sind die Auswirkungen auf den Bewegungsapparat: Die Knochen werden weniger belastbar, das Risiko für Frakturen steigt. Die Frage, wie sich Knochen auch unter diesen extremen Bedingungen gesund erhalten und regenerieren lassen, gehört deshalb zu den zentralen Herausforderungen der Raumfahrtmedizin. Genau hier setzt die Forschung von David Sipos und Sebastian Scholpp im Projekt „cOSmicStrain“ am Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren (IDD) im Fachbereich Maschinenbau unter der Leitung von Professor Andreas Blaeser an.
Lässt sich Schwerkraft ersetzen?
Das TU-Forschungsteam untersucht, ob sich der fehlende Einfluss der Schwerkraft durch gezielte mechanische Reize ersetzen lässt. Im Fokus stehen Zellen, die für den Aufbau und die Regeneration von Knochen verantwortlich sind. Die zentrale Frage lautet: Kann Knochenwachstum auch dann angeregt werden, wenn die Schwerkraft als natürlicher Stimulus wegfällt? Um dies zu untersuchen, entwickeln die Forschenden experimentelle Systeme, mit denen sich mechanische Einflüsse gezielt kontrollieren und analysieren lassen. Ziel ist es, besser zu verstehen, welche Signale Zellen benötigen, um Wachstum und Regeneration anzustoßen – auch unter Bedingungen, die auf der Erde nicht vorkommen.
Wenn Engineering auf Zellbiologie trifft
Der besondere Ansatz des Projekts liegt in der Verbindung von Ingenieurwissenschaften und Biologie. Während biologische Forschung häufig beobachtet, wie Zellen auf ihre Umgebung reagieren, verfolgt das Team am IDD einen ingenieurwissenschaftlichen Ansatz: Mechanische Bedingungen werden gezielt angepasst, um ihren Einfluss systematisch zu analysieren. Dafür kommen Methoden aus der Material- und Prozessentwicklung, der Strömungsmechanik und der Biofabrikation zum Einsatz.
So lässt sich untersuchen, wie einzelne Zellen auf Druck, Flussbewegungen oder Verformungen reagieren und welche Rolle diese Reize für das Knochenwachstum spielen. Dadurch werden biologische Mikroprozesse sichtbar und steuerbar. Zellwachstum erscheint nicht mehr nur als biologischer Vorgang, sondern als Prozess, der gezielt beeinflusst werden kann. Dieses Verständnis eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung intelligenter Biomaterialien und zukünftiger regenerativer Therapien.
Forschung unter realen Weltraumbedingungen
Einen entscheidenden Rahmen für die Forschung bildet das „Cellbox-Programm“ der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), mit Unterstützung des Start-Up-Unternehmens Yuri GmbH. Hier werden biologische Experimente nicht nur im Labor simuliert, sondern unter realen Bedingungen der Schwerelosigkeit durchgeführt. Zellkulturen werden über längere Zeit an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) untersucht, während Vergleichsexperimente unter künstlicher Erdschwerkraft stattfinden.
Für die Forschenden am IDD bietet dies eine besondere Möglichkeit: Hypothesen aus dem Labor können unter extremen Bedingungen überprüft werden. Die Schwerelosigkeit wird damit zu einem Experimentierraum, in dem sich grundlegende biologische Prozesse besonders deutlich beobachten lassen. Die Forschung ist Teil einer größeren Initiative, die sich mit den Auswirkungen von Mikrogravitation auf biologische Systeme beschäftigt. Ziel ist es, die Gesundheit von Astronautinnen und Astronauten auf zukünftigen Langzeitmissionen besser zu schützen und neue Erkenntnisse über die Anpassungsfähigkeit des menschlichen Körpers zu gewinnen.
Cellbox – Ein Labor im Orbit
„Cellbox-Missionen“ ermöglichen Untersuchungen zu Effekten der Weltraumbedingungen an Zellen, Geweben und künstlichen Zellstrukturen, sogenannten Organoiden. Sie laufen jeweils über mehrere Wochen und finden in einem niedrigen Orbit um die Erde (Low Earth Orbit, LEO) statt. Die Experimente werden in etwa Smartphone-großen Minilaboren – den Cellbox-Experimentkammern – durchgeführt, die je nach Experimentanforderungen in einem Inkubator für mehrere Tage oder Wochen entweder der Schwerelosigkeit ausgesetzt sind, oder auf einer Zentrifuge normale Erdschwerkraft erfahren.
Die „Cellbox-Missionen“ gehören zum Forschungsprogramm der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, finanziert durch Mittel des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR). Dabei werden biologische und medizinische Experimente unter realen Weltraumbedingungen ermöglicht. Die aktuellen Cellbox-4 und Cellbox-5 Missionen vereinen acht Teams von deutschen Universitäten, davon vier aus Hessen.
Über die TU Darmstadt
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MI-Nr. 38/2026, IDD/cst
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
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