Verfasst von: aeropersredaktion | 10/01/2012

Müde sein ist menschlich

Ein weiterer Artikel aus der aktuellen Rundschau zu einem weiterhin aktuellen Thema. «Sleep is not a tradable commodity.»

Wachsamkeit, Müdigkeit und Schlaf begleiten uns täglich. Schichtarbeit und Nachtflüge stören die natürlichen Verhältnisse und verhindern, dass wir uns richtig erholen. Neuartige Rechenmodelle versuchen, das Wechselspiel zwischen Arbeit und Erholung abzubilden, um eine Aussage über die Erschöpfung von Piloten machen zu können.

Text: Jürg Ledermann

In der kommerziellen Luftfahrt werden die Einsatzzeiten der Besatzungen durch verschiedene Limitationen und Vorschriften (Duty Time, Block Time, Rest Minima etc.) geregelt. Ursprünglich waren diese Flight Time Limitations (FTL) ein einfaches Regelwerk. In der Vergangenheit wurden sie schleichend weiterentwickelt und mussten verschiedenen Trends angepasst werden: steigendem ökonomischen Druck, Einsatzmöglichkeiten von Flugzeugen neuerer Generation oder Erkenntnissen aus wissenschaftlichen Untersuchungen. Es entstand ein kompliziertes und nur mit Mühe durchschaubares Werk von Vorschriften, das erstens die Produktivität der Besatzungen und zweitens die Wettbewerbsfähigkeit der Airline ganz direkt beeinflusst. Drittens dienen diese Vorschriften auch dem Schutz der Piloten. Es soll verhindert werden, dass sie in einem Zustand im Cockpit sitzen, in dem sie nicht mehr fähig sind, ihrer Arbeit wachsam (alert) und mit voller Aufmerksamkeit (alertness) nachzukommen. Vorfälle und Unfälle, bei denen Fatigue eine Rolle spielte, liessen die Illusion platzen, dass Flüge – quasi per definitionem – dann sicher sind, solange sie im Rahmen der gängigen FTL durchgeführt werden.

Die Diskussion um die Erschöpfung der Piloten findet weltweit seit langer Zeit statt. Das Risiko der arbeitsbedingten Ermüdung (Fatigue) soll mit neuen Methoden und Systemen besser fassbar werden. Die Hoffnungen liegen dabei auf dem Fatigue Risk Management System (FRMS), mit dem die Auswirkungen der Flugoperation auf die Piloten besser überwacht und gesteuert werden sollen.

Arbeit und Erholung

Manuela Durussel, Flight Safety Manager OSF, hat in ihrem Bericht im «Swiss Safety Letter 02/2011» bereits eine Einführung zu diesem Thema gegeben. Im Juli dieses Jahres erschien zudem die Broschüre «FRMS Implementation Guide for Operators», die als Richtlinie dienen soll, wenn eine Fluggesellschaft ein Fatigue Risk Management System einführen will. Das Besondere daran ist, dass sie von den drei wichtigsten Partnern in der kommerziellen Luftfahrt produziert und unterschrieben wurde: der Aufsichtsbehörde ICAO, der Pilotenvertretung IFALPA und der Vertretung der Airlines IATA.

Die Autoren gehen zunächst der Frage nach, was Fatigue ist und woher sie kommt. Sie behelfen sich dabei der Definition der ICAO (siehe Kasten). Sie stellen fest, dass ein Pilot unter Fatigue leidet, wenn er im Verhältnis zu seiner Erholung zu lange wach und aktiv ist. Es besteht dann ein Ungleichgewicht zwischen den körperlichen und mentalen Aktivitäten im Wachzustand und der Erholung von diesen Aktivitäten. Sie halten weiter fest, dass Erholung nur im Schlaf erfolgen kann. Fatigue kann demnach verringert werden, wenn die Aktivitäten im Wachzustand reduziert werden oder wenn die Erholung – also der Schlaf – vergrössert oder verbessert wird. Dabei rücken zwei Forschungsgebiete in den Fokus. Das ist zum einen die Schlafforschung und sind im Speziellen die Effekte, die sich einstellen, wenn man zu wenig Schlaf hat. Das andere Forschungsgebiet betrifft den circadianen Rhythmus und unsere innere biologische Uhr. Diese Elemente steuern täglich unsere Schläfrigkeit und lassen in uns das untrügliche bleierne Gefühl aufkommen. Sie bestimmen auch die Fähigkeit für mentale und körperliche Aktivität und die Anstrengung, die es dafür benötigt. Nicht zuletzt hängt von ihnen auch ab, ob wir einschlafen und am Schlafen bleiben können.

Zur Bedeutung des Schlafs stellen die Autoren fest, dass Schlaf kein Gut ist, das gegen Arbeitszeit eingetauscht werden kann: «Sleep is not a tradable commodity.»

Schlafphasen und Zyklus

Schlaf läuft in verschiedenen grundsätzlichen Phasen ab, die sich während einer Nacht in unterschiedlicher Intensität wiederholen (siehe Grafik). Zunächst sinkt eine Person in einen eher leichten Schlaf, aus dem sie gut wieder geweckt werden kann (non-REM-Phasen 1 und 2). Anschliessend sinkt sie in den Tiefschlaf, der zur Regeneration wichtig ist (non-REM-Phasen 3 und 4). Aus dem Tiefschlaf aufzuwachen ist nicht einfach, weil das Gehirn Zeit braucht, um wieder auf Touren zu kommen. Dabei können sich Gefühle der Desorientierung oder Trunkenheit einstellen. Um diese Effekte beim Aufwachen zu vermeiden, sollten ein kurzer Mittagsschlaf oder der Controlled Rest im Cockpit nicht länger als 40 Minuten dauern. Ein Abtauchen in die Tiefschlafphasen kann so umgangen werden. Nach dem Tiefschlaf folgt die Phase des Rapid Eye Movement (REM). Hier ist das Hirn sehr aktiv, und Träume spielen sich ab. Das zeigt sich mit raschen Augenbewegungen unter den geschlossenen Lidern. Wir können uns an Träume erinnern, wenn wir aus dieser Phase aufwachen.

Ein kompletter Schlafzyklus dauert rund 90 Minuten und wird gegen Ende der Schlafdauer kürzer. Der Tiefschlaf ist zu Beginn länger, wogegen die REM-Phasen gegen Ende der Schlafdauer länger werden. Für die Erholung sind alle Phasen des Schlafzyklus nötig, sowohl genügend Tiefschlaf wie auch genügend REM-Phasen. Je länger jemand wach ist, desto grösser wird sein Bedürfnis nach Schlaf. Der Aufbau dieses Schlafdrucks wird gesteuert vom sogenannten homöostatischen Prozess.

Bei starkem Schlafmangel sind mindestens zwei Nächte nötig, um sich komplett zu erholen. In diesem Fall überwiegt in der ersten Nacht der Anteil an Tiefschlaf. Eine Nacht ist somit zu kurz, um auch noch genügend REM-Schlaf unterzubringen. In der zweiten Nacht wird deshalb eher weniger Tiefschlaf, dafür umso mehr REM-Schlaf stattfinden.

Schlafqualität

Für die Qualität des Schlafs und folglich für eine gute Erholung ist es wichtig, dass die verschiedenen Phasen ohne Unterbruch durchgeschlafen werden können. Ein Hotel in ruhiger Umgebung oder mit guter Schallisolation ist ebenso wichtig wie Hotelpersonal, das die «don’t disturb»-Zeichen respektiert. Dazu gehört auch, dass sich die Zimmer in ruhigen Bereichen des Hotels befinden. Die Crew-Disposition sollte abends nicht mehr anrufen dürfen, um darüber zu informieren, dass am nächsten Tag frühmorgens ein Flug aus der Standby geplant worden sei. Ein solcher Anruf kann sehr störend sein. Wer weiss denn schon, wann ein Crew Member zu Bett geht, um seine Schlafbedürfnisse zu decken? Die Minimum Rest Time vor einem Einsatz ist von allen beteiligten Stellen unbedingt zu respektieren – sei es zu Hause oder im Nightstop.

Im Crew Bunk des Flugzeugs oder beim Controlled Rest im Cockpit ist der Schlaf weniger tief und wird aus verschiedenen Gründen eher unterbrochen. Trotzdem zeigen Untersuchungen, dass er genügend Erholung bietet, um anschliessend eine bessere Alertness und eine schnellere Reaktionsfähigkeit zu haben.

Mit dem Älterwerden verändern sich auch die Schlafgewohnheiten. Sind die jungen Erwachsenen eher «Eulen», die später ins Bett gehen und länger ausschlafen, so gehen ältere Menschen eher früher ins Bett und stehen als «Lerchen» auch früher auf. Zudem belegen Studien, dass ältere Piloten mehr Zeit benötigen, um einzuschlafen, weniger Schlaf bekommen und der Schlaf häufiger unterbrochen wird.

Schlafstörungen können ganz unterschiedliche Gründe und Formen haben. Gerade für Piloten bedeuten sie eine ernst zu nehmende Problematik, weil erstens die Erholung stark leidet und zweitens der Zeitpunkt und die Dauer der Ruhezeit meist nicht selber bestimmt werden können, sondern vom Einsatz vorgegeben sind.

Circadianer Rhythmus – unsere innere Uhr

Dass wir in der Nacht schlafen, ist keine Erfindung neuzeitlicher sozialer Konventionen. Der Rhythmus entstand in der Evolution als Anpassung an den von der Erdrotation vorgegebenen Tagesablauf. Wir haben eine innere Uhr, die einen 24-Stunden-Rhythmus ungefähr vorgibt. Organe und Abläufe im Körper werden von dieser inneren Uhr beeinflusst. Um die Uhr im 24-Stunden-Takt zu halten, sind äussere Reize notwendig. Vor allem das Sonnenlicht ist ein wichtiger Taktgeber. Daneben helfen auch die wiederkehrenden Tagesaktivitäten, wobei der Wecker am Morgen einen ersten, wichtigen Impuls gibt.

Zur «Zeitmessung» dieser inneren Uhr bietet sich die Körpertemperatur an. Sie schwankt während des 24-Stunden-Tages um rund ein Grad. Am tiefsten ist sie während des Schlafs kurz bevor die stärkste REM-Phase beginnt. Die Körpertemperatur beginnt also bereits vor dem Aufwachen wieder anzusteigen, um den Körper auf die bevorstehende Aktivität vorzubereiten. Gegen Ende des Schlafzyklus lässt der circadiane Rhythmus einen «internen Weckruf» erfolgen, der uns veranlasst, selber aufzuwachen. Das geschieht rund drei Stunden nach dem Temperatur-Tiefpunkt. Weitere drei Stunden später ist der interne Druck, aufzuwachen, am grössten. Dann ist es schwierig, einzuschlafen oder am Schlafen zu bleiben.

Mit jeder Stunde, die wir im Wachzustand verbringen, erhöht der homöostatische Prozess den Schlafdruck. Gerade in der Siesta-Zeit können wir daher eine ausgeprägte Müdigkeit erleben, die sich mit einem kurzen Mittagsschlaf aber gut abbauen lässt. Gegen den frühen Abend – rund sechs bis acht Stunden vor dem Tiefpunkt der Körpertemperatur – wirkt der circadiane Rhythmus gegen den weiter zunehmenden Schlafdruck. In dieser Phase können Menschen nur sehr schwer Schlaf finden. Eine kurze Zeit später – rund fünf Stunden vor dem Temperatur-Tiefpunkt – beginnt normalerweise der Schlaf, während dem der Schlafdruck wieder abgebaut wird.

Schichtarbeit und Jetlag

Wir erleben in 24 Stunden also zwei Phasen mit hoher Schläfrigkeit und dazwischen Phasen mit hoher Alertness. Die meisten Menschen spüren die erste Schläfrigkeit am Nachmittag zwischen 15 und 17 Uhr. Die zweite Phase verschlafen wir meistens, da sie zwischen 3 und 5 Uhr morgens stattfindet. Diese Phase wird als Window of Circadian Low (WOCL) bezeichnet, wo auch die Körpertemperatur am tiefsten ist.

Als Schichtarbeit bezeichnen die Autoren des «FRMS Implementation Guide» jede Arbeit, für die ein Besatzungsmitglied dann wach sein muss, wenn es nach seiner circadianen Uhrzeit eigentlich am Schlafen wäre. Nehmen wir an, dass wir normalerweise um 8 Uhr morgens aufstehen. Nehmen wir weiter an, dass

wir während einer Kurzstreckenrotation bei vier Früheinsätzen in Folge jeweils um 5 Uhr morgens aufstehen müssen. In diesem Fall häufen wir ein grosses Schlafdefizit an, weil wir an jedem dieser Tage eigentlich länger geschlafen hätten. Dieses Defizit lässt sich nur in den Freitagen nach der Rotation abbauen. Denn in den vier Tagen Frühschicht wird unsere innere Uhr – wie bei der Anpassung an eine weiter im Osten gelegene Zeitzone – kontinuierlich vorgestellt. Haben wir am letzten Tag, wie oft üblich, eine Spätschicht, dann haben wir schlafund ermüdungstechnisch gesehen drei Probleme: Erstens schleppen wir ein beachtliches Schlafdefizit mit uns in den Flugeinsatz; zweitens können wir am fünften Tag nicht so ausschlafen, wie wir uns das vielleicht wünschen, da uns der ebenfalls nach vorne verschobene «innere Wecker» aufwachen lässt; und drittens arbeiten wir dann für unsere nach vorne gestellte innere Uhr bis tief in die Nacht hinein. Dabei nähern wir uns dem ebenfalls nach vorne gerückte WOCL, wo unsere Leistungsfähigkeit auf den Tiefpunkt sinkt.

Beim Überqueren von Zeitzonen stellt sich das gleiche Phänomen ein – wenn auch in einer stärker ausgeprägten Form. Die Anpassung in westlicher Richtung geschieht schneller als gegen Osten, weil die innere Uhr üblicherweise einen Tagesrhythmus hat, der etwas länger als 24 Stunden dauert. Bei grossen Sprüngen, zum Beispiel über neun Zeitzonen hinweg von Zürich in östlicher Richtung nach Tokio, kann es geschehen, dass die innere Uhr die Anpassung über den «falschen» Weg – also über 18 Zeitzonen in westlicher Richtung – vornehmen will. Da können unsere Organe und ihr wichtiges Zusammenspiel völlig ausser Takt geraten.

Speziell in der Heimat ist es wichtig, die innere Uhr möglichst schnell wieder an die ursprüngliche Zeitzone anzupassen. Da helfen die Exposition ans Tageslicht und ein Tagesablauf, der der dortigen Zeitzone entspricht, inklusive Aufstehen, Essen, Aktivitäten und Ruhephasen.

Schlafmangel

Die wichtigsten Faktoren, die zu Fatigue führen, sind also die Schlafdauer und -qualität, die verstrichene Zeit seit dem Aufwachen, die Arbeitslänge und -intensität sowie die Uhrzeit der inneren Uhr und der circadiane Rhythmus.

Schlafmangel stellt sich im Flugdienst eigentlich automatisch ein. Auf der Kurzstrecke geschieht dies wie oben beschrieben im Schichtbetrieb, auf der Langstrecke durch den Jetlag und die Nachtflüge, während der wir wach sind und die innere Uhr das WOCL durchläuft. Auf der Langstrecke sind wir auch häufig mit dem Phänomen konfrontiert, dass wir sehr lange Wachzeiten durchstehen müssen – speziell dann, wenn die Besatzung nicht mit zusätzlichem Cockpit-Personal aufgestockt (enlarged) ist.

Es wurden Laborversuche durchgeführt, bei denen den Probanden jede Nacht eine oder zwei Schlafstunden gestrichen wurden. Dadurch bauten sie ein Schlafdefizit auf. Sieben Nächte mit je sieben Schlafstunden führten bereits zu einer deutlichen Verlangsamung der Reak-

tionszeit. Dazu gesellten sich die üblichen Symptome: das Gefühl von Schläfrigkeit; Probleme, aufmerksam zu bleiben; eine tiefere Schwelle, um gereizt zu reagieren; schlechtere Koordinationsfähigkeit; langsameres Denken; das Hängenbleiben an Teilen eines Problems und damit der Verlust der Gesamtübersicht (situational awareness); weniger kreative Lösungsfindung und schlechtere Lernfähigkeit.

Der Zustand derjenigen, die pro Nacht nur fünf Stunden schlafen konnten, verschlechterte sich noch schneller. Der Schlafdruck nimmt über die Tage ständig zu, was zu sogenanntem Mikroschlaf führen kann: Menschen fallen unkontrolliert für kurze Zeit in den Schlaf. Ihr Hirn schaltet sich ab und nimmt weder über die Ohren noch die Augen äussere Reize auf.

In den ersten Tagen mit grossem Schlafmangel können Menschen ihren Zustand beurteilen. Im weiteren Verlauf können sie keine Veränderung mehr feststellen, obwohl sich ihr Zustand weiter verschlechtert. Die Aussagen über ihren Zustand und ihre Fähigkeiten, in einem Cockpit zu funktionieren, werden immer unzuverlässiger. Gerade komplizierte Hirntätigkeiten wie etwa das Fällen von Entscheidungen oder das Kommunizieren sind als Erstes betroffen. Chronischer Schlafmangel führt zu bleibenden körperlichen Schäden wie dem Diabetes-Typ 2 oder der Erkrankung der Herzkranzgefässe.

Die schlimmsten fünf Prozent

Aufgrund von neuen Untersuchungen aus der Schlafforschung und über die arbeitsbedingte Ermüdung entstanden Rechenmodelle, die nach Einbezug der oben beschriebenen Parameter eine allgemeine Aussage über den Erschöpfungsgrad und die Alertness von Besatzungsmitgliedern ermöglichen. Die Firma Jeppesen bietet in ihrer Crew-Planungs-Software das Boeing Alertness Model (BAM) an, das die Belastung der Besatzungen bestimmt und anhand einer Grafik veranschaulicht (für iPhone und iPad als «Crew Alert» im «iTunes App Store» erhältlich). Manuela Durussel erwähnte in ihrem Bericht, dass die Swiss der Firma Jeppesen den Auftrag gegeben hat, Swiss-Einsätze Anhand des BAM zu analysieren.

Die chinesische Aufsichtsbehörde CAAC veranlasste eine ähnliche Studie, in der die chinesischen FTL mit anderen bekannten Regelwerken verglichen wurden, darunter die europäischen JAR, die US-amerikanischen FAR und neuen NPRM sowie die britischen CAP. Als Basis diente der Kurzstreckeneinsatz von A320-Besatzungen einer Fluggesellschaft des jeweiligen Landes. Es erstaunt nicht, dass diejenigen Regelwerke, die den Einsatz mit strikteren Regeln einschränken, eine eher höhere Alertness der Besatzungen gewähren. Dafür bewirken sie aber auch eine tiefere Produktivität der Piloten. Dabei zeigt sich, dass die Flugpläne der Gesellschaften eine wichtige Rolle spielen. Nachtflüge oder Flüge, die an den Randstunden frühmorgens und spätabends geplant sind, bewirken immer eine tiefe Alertness.

Mit diesen Erkenntnissen wurde eine Planung der Flüge mit Hilfe leicht veränderter und neuer FTL-Grenzen vorgenommen. Es konnten Einsätze erstellt werden, bei denen die Piloten aufgrund der BAM-Auswertung besser gegen Fatigue geschützt wurden, ohne dass deren Produktivität geopfert worden wäre. Im Fokus standen primär diejenigen fünf Prozent der Einsätze, die zu den tiefsten Alertness-Werten geführt hatten. Als Richtwert wurde definiert, dass die Alertness bei keinem Flug mehr unter den Wert von 1500 Punkten auf der CAS-Skala fallen sollte. Die Common Alertness Scale (CAS) des Boeing Alertness Model (BAM) reicht von 0 bis zu 10 000 Punkten.

Bei der Planung der Einsätze mit Hilfe des BAM konnten Einsätze erstellt werden, bei denen die Alertness generell höher ausfiel. Versprochen wird vom Hersteller eine Verbesserung um rund 500 Punkte, womit eine grosse Anzahl Flüge mit einer Alertness um einen Wert von 5000 CAS-Punkten stattfinden sollte. Ein gewichtigeres Argument im Verkaufsköcher von Boeing und Jeppesen ist allerdings die Aussicht auf eine mögliche markante Produktivitätssteigerung der Piloten bei der Crew-Planung mit ihren Produkten.

Offene Fragen

So vielversprechend die Aussagen über die höhere Alertness auch sind, so ist doch anzumerken, dass diese Studien von derselben Firma durchgeführt wurden, die ihr Produkt auf dem Markt verkaufen will. Der Köder einer versprochenen Produktivitätssteigerung zählt viel im Wettbewerb um eine möglichst tiefe Kostenstruktur. Aber es liegen hier erst theoretische Computerauswertungen vor, die in der Praxis noch nicht validiert wurden. Es sind zunächst generelle Aussagen, die das Verhalten einer Gruppe von Menschen zu beschreiben versuchen. Wo sind aber die Grenzen des einzelnen Piloten, dessen Leistungsfähigkeit noch von ganz anderen Faktoren beeinflusst wird? Und wenn schon von Grenzen die Rede ist: Wo werden diese gesetzt und wie ist das Vorgehen beim Überschreiten derselben? Und ist das System gegen Missbrauch gesichert?

Die Zukunft wird zeigen, welcher der verschiedenen möglichen Wege im Kampf gegen Fatigue beschritten wird: Anpassung der heutigen FTL, Ablösung der heutigen FTL oder eines Teils davon durch ein FRMS, Planung und Überwachung der Flugoperation oder eines Teils davon mittels BAM.

Die weiteren Schritte bei der Einführung eines Fatigue Risk Management Systems bedürfen einer tiefen und vertrauensvollen Zusammenarbeit der Aufsichtsbehörde, der Fluggesellschaft und der Arbeitnehmervertreter. Alle Beteiligten betreten Neuland, das viel Positives in Aussicht stellt, wo aber auch Gefahren lauern. Die AEROPERS wird diese Entwicklung aufmerksam verfolgen und mitgestalten.

Eines bleibt dabei sicher: Der menschliche Körper kann sich nur mit genügend gutem Schlaf erholen. l

Definition Fatigue

Die ICAO definiert Fatigue wie folgt: «A physiological state of reduced mental or physical performance capability resulting from sleep loss or extended wakefulness, circadian phase, or workload (mental and/or physical activity) that can impair a crew member’s alertness and ability to safely operate an aircraft or perform safety related duties.»

 


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