Nukleare Minibatterien sind klein, wartungsfrei und langlebig. Russische Forscher haben einen Weg gefunden, wie sie ohne gefährliche Gamma-Strahlung die Laufzeit von Herzschrittmachern deutlich verlängern könnten.
Auf dem Weg zu medizinisch nutzbaren Atombatterien haben russische Forscher nach eigenen Angaben einen wichtigen technischen Fortschritt erzielt. Es gelang ihnen, eine mögliche Energiequelle, das radioaktive Isotop Nickel-63, in einer Gaszentrifuge auf mehr als 69 Prozent anzureichern. Das teilte der staatliche russische Hersteller von Kernbrennstoffen TVEL in Moskau kürzlich mit. Vom Grad der Anreicherung hängt die Lebensdauer der Batterie ab. Noch 2019 solle in der Forschungsanlage in Selenogorsk in Sibirien eine Anreicherung von über 80 Prozent erreicht werden. Laut TVEL liegen kompakte Atombatterien mit einer Lebensdauer von bis zu 50 Jahren derzeit im Trend im Instrumentenbau und in der Funkelektronik.
Atomgetriebene Mikrobatterien nicht nur in Weltraum-, Militär- oder Industrieanlagen, sondern aber auch “Herzschrittmacher und andere Biostimulatoren” verwendet werden, so TVEL. Denn bislang halten die Batterien eines Herzschrittmachers nur etwa fünf bis zehn Jahre.
Unbedenkliche Strahlung
Der Strom entsteht bei nuklearen Minibatterien nicht wie im Atomkraftwerk infolge der Energieentwicklung einer Kernspaltung, sondern aus dem natürlichen Zerfall künstlicher Radioisotope wie Nickel-63 oder Tritium. Das künstlich hergestellte Isotop Ni-63 hat eine Halbwertzeit von 100 Jahren. Es zerfalle in eine “sanfte Beta-Strahlung ohne schädliche Gamma-Strahlung”, teilte TVEL mit. Damit kommt es für den Einsatz in der Medizin in Frage. Zum Abschirmen dieser Strahlen reiche laut Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) “schon eine einfache Plastikverpackung”.
Mehr dazu:Implantierter Lebensretter: Der Herzschrittmacher wird 60
Der Schwede Arne Larson erhielt 1958 den ersten implantierten Herzschrittmacher
Neu ist die Idee atomgetriebener Herzschrittmacher nicht. Mitte der 1970er Jahre seien einigen Patienten in den USA, aber auch in Deutschland Batterien mit dem Isotop Promethium-147 eingepflanzt worden, teilte das BfS mit. Dabei habe es aber Probleme bei der Größe, der Lebensdauer und der Abschirmung gegen Strahlung gegeben.
Die US-Raumfahrtbehörde Nasa verwendet seit langem Atombatterien – sogenannte RTGs (Radioiosotope Thermoelectric Generators) – als Energiequelle für Anlagen im Weltraum. Dabei wird meist der sehr starke Alphastrahler Plutonium-238 genutzt. Mit einer solchen Batterie fährt etwa der Mars-Rover Curiosity. Die Sowjetunion stattete früher auch Leuchttürme und andere entlegene Anlagen mit RTGs aus.
af/fs (dpa)
Mehr dazu: Radioaktiven Stoffen auf der Spur
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkWunderwerk der Natur
Das Herz ist ein Wunderwerk der Natur: Der faustförmige Hohlmuskel zieht sich etwa siebzigmal in der Minute zusammen und pumpt so am Tag bis zu 10.000 Liter durch den Körper. Und das ein Leben lang. Wenn nötig – beim Joggen etwa – transportiert das Herz sogar fünfmal so viel Blut durch den Körper.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkDoppelte Arbeit
Eigentlich besteht unser Herz aus zwei Pumpen. Denn es gibt nicht nur einen Blutkreislauf, sondern gleich zwei. Die rechte Herzkammer pumpt Blut in die Lunge, wo es sich mit Sauerstoff auftankt. Gleichzeitig befördert die linke Herzkammer die gleiche Menge Blut in den Körperkreislauf. Gar nicht so einfach. Denn im Körperkreislauf herrscht viel höherer Druck als im Lungenkreislauf.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkBumm, Bumm
Jede Herzhälfte besteht aus einem Vorhof und einer Herzkammer. Das Blut kann nur in eine Richtung fließen, da sich zwischen den Vorhöfen und den Kammern sowie zwischen den Kammern und den sich anschließenden Gefäßen Herzklappen (grün) befinden, die wie Rückschlagventile arbeiten.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkEchte Muskelarbeit
Das Herz ist nur ein Muskel – aber ein ganz besonderer. Er ähnelt denen an Arm und Bein, denn er kann sich genauso schnell und kraftvoll zusammenziehen. Aber er ist besonders ausdauernd und ermüdet nicht. Außerdem sind alle Herzmuskelzellen miteinander gekoppelt, damit immer der gesamte Herzmuskel gleichzeitig kontrahiert.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkNatürlicher Schrittmacher
Versuchen Sie mal, Ihr Herz durch Willenskraft am Schlagen zu hindern! Das klappt nicht, da das Herz nicht von Nerven gesteuert wird, sondern seinen eigenen Taktgeber hat: Spezielle Muskelzellen im Sinusknoten erzeugen regelmäßig einen kleinen Stromstroß, der sich blitzschnell über das ganze Herz ausbreitet und es kontrahieren lässt. Ist der Sinusknoten defekt, übernimmt der AV-Knoten.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkAus dem Takt
Kommt das Herz aus dem Rhythmus, beispielsweise beim Kammerflimmern, entspannt es nicht mehr, sondern bleibt ständig verkrampft. Dann kann das Organ kein Blut mehr pumpen. Ein Schockgeber, der Defibrillator, unterbricht die lebensbedrohliche ständige Erregung im Herzen, damit der natürliche Taktgeber wieder übernehmen kann. Auch ein Laie kann das Gerät bedienen.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkLebensretter
Schlägt das Herz eines Patienten zu langsam, hilft ein künstlicher Herzschrittmacher nach. Das Gerät erzeugt elektrische Impulse und leitet sie an den Herzmuskel weiter. Erstmals implantierten Ärzte einen Schrittmacher im Jahr 1958. Ein moderner Herzschrittmacher hat eine Funktionsdauer zwischen fünf und zwölf Jahren, durchschnittlich sind es acht Jahre.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkAm offenen Herzen
Um am Herzen operieren zu können, müssen die Ärzte es kurzzeitig stoppen und den Kreislauf stilllegen – eigentlich ein Todesurteil. Aber in den 50er Jahren lösten Wissenschaftler das Dilemma: Sie entwickelten die Herz-Lungen-Maschine. Das Gerät übernimmt für kurze Zeit die Funktion von Herz und Lunge, reichert das Blut mit Sauerstoff an und pumpt es durch den Körper.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkDurch die Leiste ins Herz
Die moderne Medizin ermöglicht es, das Herz zu untersuchen oder es zu operieren, ohne den Brustkorb des Patienten aufzuschneiden. Dazu führt der Arzt einen Herzkatheter – quasi einen dünnen Kunststoffschlauch – durch Leiste, Ellenbeuge oder Handgelenk ein und schiebt den Schlauch über Venen oder Arterien bis zum Herzen. Der Patient wird vorher nur örtlich betäubt.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkFaltbare Herzklappe
Ist eine der Herzklappen kaputt oder ausgeleiert, muss eine neue her. Ärzte greifen entweder zu biologischem Ersatz vom Schwein oder zu mechanischen Herzklappen aus Metall. Inzwischen gibt es auch künstliche Herzklappen, die zusammenfaltbar sind (siehe Foto) und sich daher minimal-invasiv über einen Katheter einsetzen lassen. Eine Operation am offenen Herzen ist dann nicht mehr nötig.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkVerstopfte Gefäße
Die Herzkranzgefäße versorgen den Herzmuskel mit Blut, sprich Nährstoffen und Sauerstoff. Verstopft eines dieser Gefäße, stirbt das nicht mehr durchblutete Gewebe ab – Herzinfarkt! Mit einem Bypass überbrückt der Herzchirurg die verengte Stelle (im Bild grün). Dafür nimmt er eine Vene des Patienten, die nicht mehr gebraucht wird, oder eine Gefäßprothese aus Kunststoff.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkLebensretter aus Metall
Ist ein Herzkranzgefäß verengt, kann der Arzt einen Katheter in das Blutgefäß einführen und die Engstelle mit einem Ballon aufdehnen. Damit sich das Gefäß hinterher nicht wieder zusammenzieht, hält man es mit einem Stent offen: Das sind feine Hülsen aus Metall, welche die Blutgefäßwand von innen stützen. Die Röhrchen können zusätzlich auch mit Medikamenten beschichtet sein.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkWenn das eigene Herz nicht mehr will
Die erste Herztransplantation führten Herzchirurgen im Jahr 1967 durch. Damals eine Sensation. Inzwischen ist die OP keine Seltenheit mehr: Pro Jahr transplantieren Ärzte weltweit einige Tausend Spenderherzen von verstorbenen Menschen. Die Empfänger müssen allerdings ein Leben lang Medikamente nehmen, die verhindern, dass der eigene Körper das fremde Organ abstößt.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkLeben auf Pump
Spenderherzen sind rar. Wenn das eigene Herz nicht mehr richtig funktioniert, etwa bei einer Insuffizienz, lässt es sich mit einem Kunstherz unterstützen. Das eigene, kranke Herz bleibt im Körper, unterstützt wird es von einer implantierten Pumpe. Antrieb und Energieversorgung der Pumpe liegen außerhalb des Körpers.
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Das Herz – ein schlagendes WunderwerkEin künstliches Herz
Traum der Forscher ist ein Kunstherz, welches das kranke Herz des Patienten vollständig ersetzt. Es soll ohne Verbindungsschläuche zur Außenwelt in den Körper eingesetzt werden können und wartungsfrei viele Jahre schlagen. Prototypen gibt es bereits.
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Mars-Rover Curiosity: Seit fünf Jahren auf der Suche nach außerirdischem LebenDer Roboter-Riese
Curiosity ist der größte und modernste aller Mars-Rover. Er landete am 6. August 2012 auf dem Mars, hat seitdem gut 17 Kilometer zurückgelegt und ist nach wie vor äußerst fit. Seine Energie holt er sich aus einer radioaktiven Isotopenbatterie. Ihm geht die Kraft also praktisch nie aus. Curiosity ist ein komplettes Wissenschaftslabor auf Rädern.
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Mars-Rover Curiosity: Seit fünf Jahren auf der Suche nach außerirdischem LebenBeeindruckendes Innenleben
Curiosity besitzt spezielle Spektrometer, die mit Laser-Unterstützung Proben aus der Ferne analysieren können. Eine integrierte meteorologische Station misst neben Temperatur auch Atmosphärendruck, Feuchte, Strahlung sowie Windgeschwindigkeit. Darüber hinaus besitzt der Roboter eine Analyseeinheit zur Bestimmung organischer Verbindungen – immer auf der Suche nach außerirdischem Leben.
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Mars-Rover Curiosity: Seit fünf Jahren auf der Suche nach außerirdischem LebenNicht nur an der Oberfläche kratzen
Der Nachweis, dass Leben auf dem Mars theoretisch möglich wäre, ist dem Rover schon geglückt. Aber Leben gefunden hat er noch nicht. Der Greifarm von Curiosity hat eine richtige Bohrmaschine. Hier nimmt er 2013 eine Probe in der Gelbmesser-Bucht des Galekraters.
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Mars-Rover Curiosity: Seit fünf Jahren auf der Suche nach außerirdischem LebenAb ins Labor!
Die ausgeklügelte Technik von Curiosity erlaubt es erstmals, die gewonnenen Proben in unterschiedichste Analysegeräte zu füllen. Zunächst gelangt die Bodenprobe durch ein Filtersystem. Dann werden die Teilchen durch Vibration in verschiedene Korngrößen sortiert und an zahlreiche Analysegeräte weiterverteilt.
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Mars-Rover Curiosity: Seit fünf Jahren auf der Suche nach außerirdischem LebenWinziger Vorgänger
Die Vorgänger waren deutlich kleiner: Am 4. Juli 1997 legte der NASA-Mars-Rover Sojourner seine ersten Zentimeter auf dem roten Planeten zurück. Es war das erste Mal, dass ein mobiler Roboter sich quasi allein auf den Weg machte. Er war ausgestattet mit einem Röntgen-Spektrometer zur chemischen Analyse des Bodens und mit optischen Kameras.
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Mars-Rover Curiosity: Seit fünf Jahren auf der Suche nach außerirdischem LebenGrößenvergleich der Rover-Generationen
Auf diesem Foto stehen NASA-Mitarbeiter neben Modellen von drei Mars-Rover- Generationen. Der kleine ganz vorne ist Sojourner – mit 10,6 kg nicht viel größer als ein Spielzeugauto und maximal einen cm/s schnell. Opportunity wiegt mit 185 kg schon mehr als ein Elektrorollstuhl. Curiosity bringt mit 900 kg soviel wie ein Kleinwagen auf die Waage. Die beiden großen erreichen etwa vier bis fünf cm/s.
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Mars-Rover Curiosity: Seit fünf Jahren auf der Suche nach außerirdischem LebenFast vier Monate im Einsatz
Bis zum 27. September 1997 war Sojourner aktiv. Gut 100 Meter hat er in seinem Leben zurückgelegt. Hier ist eines der letzten Fotos, das die Landesonde Pathfinder von ihrem Begleiter aufgenommen hat – neun Tage bevor der Empfang abbrach. Die Batterie hatte wohl die niedrigen Nachttemperaturen nicht verkraftet.
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Mars-Rover Curiosity: Seit fünf Jahren auf der Suche nach außerirdischem LebenWegbereiter für Technik von Morgen
Ohne die Erfahrungen mit dem Rover Sojourner wären die darauffolgenden drei Mars-Rover-Missionen kaum denkbar gewesen. 2004 ließ die NASA zwei baugleiche Roboter landen: Spirit und Opportunity. Spirit hielt immerhin sechs Jahre lang durch und schaffte 7,7 Kilometer. Der Roboter bezwang Berge, nahm Bodenproben und überstand Winter und Sandstürme. Opportunity ist heute noch aktiv.
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Mars-Rover Curiosity: Seit fünf Jahren auf der Suche nach außerirdischem LebenViele technische Raffinessen
Opportunity schaffte schon 2015 die Marathon-Distanz von 42 Kilometern und hat damit noch einen deutlichen Streckenvorsprung vor Curiosity. Der Roboter verfügt über drei verschiedene Spektrometer sowie 3D-Kameras. Derzeit ist er im Perseverance Valley unterwegs – dem “Tal der Beharrlichkeit”. Auch der Roboter selbst hat sich nach mehr als 13 Jahren als sehr beharrlich und ausdauernd erwiesen.
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Mars-Rover Curiosity: Seit fünf Jahren auf der Suche nach außerirdischem LebenLandschaften als Inspiration
Dieses Bild wurde von der Mastkamera von Curiosity aufgenommen. Der modernste der Mars-Rover soll so lange es geht im Einsatz bleiben – noch weitere fünf Jahre und auch deutlich länger. Irgendwie sieht die Marsoberfläche ja auch gar nicht so ungewöhnlich aus – erinnert sie uns doch an Wüsten auf unserem Planeten. Soll das Grund für Fernweh sein – oder lassen wir den Mars doch besser den Robotern?