Simulation Athletes Face Dangerous Conditions Tokyo Games

 

Eine neue Simulation zur Auswirkung der Hitze und Luftfeuchtigkeit auf die Athleten im Stadion von Tokio zeigt die gefährlichen Bedingungen der heißesten Olympischen Spiele aller Zeiten auf. Athleten riskieren Hitzschlag, Dehydrierung und totale Erschöpfung.

 

Die Ingenieure von Hexagon's Manufacturing Intelligence division, dessen Software von Herstellern wie Airbus, Toyota und Samsung eingesetzt wird, haben die Auswirkungen der feucht-heißen Bedingungen auf einen männlichen Athleten beim 10.000-Meter-Lauf simuliert (das längste Bahnrennen im Stadion). Obwohl das Rennen erst nach Sonnenuntergang startet, (am 30. Juli um 20:30 Uhr Ortszeit), zeigt die Simulation, dass die Athleten dennoch extremen Bedingungen ausgesetzt sein werden.

 

Selbst bei den durchschnittlichen Wetterbedingungen im Juli von 27  C und 70 % Luftfeuchtigkeit könnte die Körperkerntemperatur der 10.000-Meter-Läufer auf über 39 Grad C ansteigen. Eine Temperatur oberhalb von 38 Grad C gilt als Fieber und Forschungen haben ergeben, dass der menschliche Körper für eine optimale Funktion der biochemischen Reaktionen auf einer Kerntemperatur zwischen 35 und 39 °C gehalten werden muss. Für Menschen, die einer „gefühlten“ Temperatur (d. h. wie die jeweilige Person die Temperatur empfindet) von mehr als 32,2 Grad C ausgesetzt sind, besteht die Gefahr von Hitzschlag, Hitzekrämpfen und Hitzeerschöpfung.

 

Die Entscheidung, die diesjährigen Spiele im tropischen Sommer Tokios auszutragen ist auf wachsende Kritik gestoßen, denn Experten warnen: „Bei dieser Hitze und Luftfeuchtigkeit sollte man nicht laufen“. Die Durchschnittstemperaturen in Tokio Ende Juli und Anfang August sind die höchsten einer Gastgeberstadt seit 1984. Daher wurden die letzten Olympischen Spiele in Tokio im Jahr 1964 aufgrund von Bedenken bezüglich der Hitze in den Oktober verschoben. Ein Hitzschlag ist vermutlich die größte wetterbedingte Gefahr für die Teilnehmer. Auslöser ist eine längere Belastung durch hohe Temperaturen und Luftfeuchtigkeit bei wenig oder keinem Wind zur Abkühlung; die möglichen Folgen sind Ohnmacht, Krämpfe oder eine allgemeine Erschöpfung. 

 

Um zu illustrieren, wie nahe die Athleten den verheerenden Hitzeauswirkungen schon bei einer Temperaturänderung von wenigen Grade? kommen können, simulierten die Ingenieure zwei verschiedene Szenarios:

 

• Überdurchschnittlich heiß: zu vernachlässigende Windgeschwindigkeit, 32 °C Lufttemperatur und 90 % Luftfeuchtigkeit

• Für die Jahreszeit durchschnittliche Bedingungen: zu vernachlässigende Windgeschwindigkeit, 27 °C Lufttemperatur und 70 % Luftfeuchtigkeit

Die Simulationen zeigen hierbei die beträchtlichen Auswirkungen selbst geringfügiger Wetteränderungen. Steigt die Lufttemperatur um gerade einmal fünf Grad über den Durchschnitt, erhöht sich die simulierte Körperkerntemperatur auf 39,77 °C und die Hauttemperatur auf 37 °C.

Darüber hinaus kann die Kopfkerntemperatur der Athleten im heißeren Szenario auf über 40 °C ansteigen, während selbst unter durchschnittlichen Bedingungen noch 39,2 °C möglich sind. Von allen Organen reagiert das Gehirn am stärksten auf Hitze, wodurch sich die empfindlichen neuronalen Aktivitätsmuster verändern können, was letztlich zum Absterben von Nervenzellen und zu Krampfanfällen führt. Die Oberschenkel und das Becken (jeweils 40,7 °C) sind weitere Körperzonen, die nachweislich für besonders hohe Kerntemperaturen anfällig sind, wenn die Lufttemperatur überdurchschnittlich ansteigt.

Ebenso spielt die Luftfeuchtigkeit eine zentrale Rolle für die Leistung und Gesundheit der Sportler. Die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit in Tokio liegt im Juli bei 70 %. Steigt sie jedoch auf 90 %, schwitzen die Sportler über die Dauer des rund 30-minütigen Rennens durchschnittlich 810 ml anstatt üblicherweise 630 ml. Während Schwitzen den Körper durch Verdunstung auf der Haut abkühlt, geht dieser Effekt der Verdunstungskühlung an Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit größtenteils verloren, da die Luft fast gesättigt ist. Somit ist die Belastung auf die Sportler unter diesen Bedingungen noch stärker. Zugleich beschleunigt die Dehydrierung den Anstieg der gesamten Körpertemperatur, was die Auswirkungen weiter verschärft.

 

Diese Simulation konzentriert sich auf den 10.000-Meter-Lauf als längstes Rennen im Stadion. Die Ergebnisse geben jedoch einen Einblick in die harten Bedingungen, mit denen alle Athleten bei den Spielen konfrontiert sind – das betrifft insbesondere die Ausdauer-Wettbewerbe, aber auch Wettkämpfe in sengenden Mittagstemperaturen von potenziell mehr als 30°C. Der Klimawandel wurde als entscheidender Faktor für die steigenden Temperaturen Tokios angeführt. Die Durchschnittstemperatur ist seit 1900 um 2,9 Grad C angestiegen – mehr als dreimal so schnell wie die weltweite Durchschnittserwärmung.

 

Zur Erstellung dieser Simulationen nutzten Ingenieure die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) – eine Disziplin zur Nachbildung von thermischen/fluiden Phänomenen. Die Hexagon-Software Cradle CFD verwendet unstrukturierte Netze, um komplizierte Geometrien darzustellen. Die Software dient unter anderem zur Planung von Klimaanlagen, zur Fahrkomfort-Beurteilung oder sogar zur Konstruktion effizienterer Wäschetrockner.

 

Die simulierten Bedingungen umfassen die Windgeschwindigkeit und Luftfeuchtigkeit, die von den Athleten in 30 Minuten (ungefähre Dauer des Rennens) erzeugte Wärme und die durch die Laufbewegung bewirkte Luftströmung. Der Körperzustand der Athleten wird unter Verwendung des Thermo-Regulationsmodells JOS-2 (JOS-Modell) analysiert, das von einer Forschungsgruppe der japanischen Waseda-Universität entwickelt wurde. Das JOS-Modell ist in der Lage, Körpergröße, Geschlecht und Alter von Menschen in die Berechnungen einzubeziehen. Durch die Kombination des Thermo-Regulationsmodells mit CFD lassen sich die Auswirkungen von Umgebungsänderungen auf die Kern- und Hauttemperaturen im gesamten Köper analysieren.

 

Keith Hanna, Vice President Marketing for Design & Engineering, im Hexagon-Geschäftsbereich Manufacturing Intelligence, erklärt: „Über die Entscheidung, die Olympischen Spiele im Sommer in Tokio auszutragen, ist viel diskutiert worden. Diese Simulationen zeigen, unter welchen extremen Bedingungen die Sportler antreten werden. Athleten sind es gewohnt, an ihre Grenzen zu gehen. In den Simulationen wird nicht nur deutlich, wie sich die Rennbedingungen auf ihre Leistung auswirken, sondern auch, welche Risiken sie eingehen, wenn der menschliche Körper an seine Grenzen gebracht wird. Besonders bemerkenswert sind die engen Toleranzen – ein paar Grad mehr können enorme Auswirkungen haben, sodass es nur eine Frage der Zeit ist, wann der kritische Punkt von 39 Grad Kernkörpertemperatur überschritten wird.“

 

Ein Video der Simulationen und weitere Einzelheiten zum wissenschaftlichen Hintergrund finden Sie hier. 

 

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