Wie viele Schritte sind nötig, um im Weltraum Kartoffeln anzubauen? Die Antwort des Botanikers lautet ...

Am 12. Oktober 2024 wird Shi Jun, ein Ph.D. in Botanik und leitender Forschungsbibliothekar an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, hielt bei der Themensitzung „Die Galaxie erkunden und Träume am Himmel verfolgen“ des Science Popularization China Starry Sky Forum eine Rede mit dem Titel „Den Gemüsegarten in den Weltraum verlegen“ und informierte uns über Erkenntnisse der Pflanzenwissenschaft in der Weltraumforschung.

Das Folgende ist ein Auszug aus Shi Juns Rede:

Wie das Sprichwort sagt: „Nahrung ist das Grundbedürfnis der Menschen.“ Bei Reisen zu den Sternen und zum Meer gibt es ein Problem, das sich nicht vermeiden lässt: Essen .

Woher kommt die Nahrung im Weltraum? Manche Leute sagen, man könne es von der Erde heraufbringen, aber der Preis ist sehr hoch und kann den Bedarf einer großen Zahl von Menschen nicht decken. Daher können wir die benötigten Nahrungsmittel nur im Weltraum produzieren.

Warum also sollten wir ausgerechnet unsere Gemüsegärten in den Weltraum verlegen, wenn wir von all den Lebensmitteln sprechen, die wir essen? Warum Kartoffeln wählen? Hier gibt es tatsächlich eine Menge sehr interessantes Wissen aus der Pflanzenwissenschaft.

Warum wollen wir im Weltraum Gemüse anbauen?

Zunächst einmal ist die Sonne, die riesige Energiequelle, auf die sich die Menschheit verlässt, tatsächlich nur begrenzt haltbar. Bislang beträgt die Lebensdauer der Sonne etwa 4,6 Milliarden Jahre. Diese Zeit klingt lang, aber wenn sich die Sonne eines Tages verändert, müssen wir möglicherweise auf einen anderen Planeten auswandern. Darüber hinaus besteht auch die Gefahr „außerirdischer Besucher“, beispielsweise durch Asteroiden, die auf die Erde treffen. Ein solcher Einschlag könnte ein Massenaussterben verursachen, was in der Erdgeschichte nicht ungewöhnlich ist. Das bekannteste Beispiel hierfür ist das Aussterben der Dinosaurier.

Natürlich klingen diese Dinge weit weg von uns, aber die Menschheit steht heute vor einem schwierigeren Problem: dem globalen Klimawandel. Aufgrund des massiven Verbrauchs fossiler Brennstoffe im Zuge der Industrialisierung verändert sich das globale Klima drastisch, extreme Wetterereignisse treten häufiger auf und die Erde könnte allmählich zu einem für den Menschen unbewohnbaren Ort werden. In dieser Situation mussten wir uns Gedanken über die Suche nach einem neuen Standort machen, was einer der Gründe ist, warum wir den Gemüsegarten in den Weltraum verlegt haben.

Kartoffelanbau im Weltraum,

Warum? Wie pflanzen?

Warum sollte man sich beim Gemüseanbau im Weltraum für Kartoffeln entscheiden? Das liegt nicht nur daran, dass Kartoffeln köstlich sind, sondern auch an den Eigenschaften der Kartoffeln selbst. Der essbare Teil der Kartoffel ist nicht die Blüte oder die Frucht; es ist die Knolle, die wir tatsächlich essen.

Die Entscheidung, Knollen zu essen, bringt erhebliche Vorteile mit sich: Man muss nur eine Kartoffel in Stücke schneiden, sie in die Erde vergraben und schon wachsen neue Kartoffeln. Diese Methode ist einfacher und effizienter, als mit der Ernte zu warten, bis die Kartoffeln blühen und Früchte tragen.

Kartoffelfelder. Copyright-Bilder in der Galerie. Der Nachdruck und die Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen.

Wo sollen Kartoffeln nach dem Transport ins All angepflanzt werden? Jedermanns erste Reaktion ist vielleicht, es in die Erde zu pflanzen. Dies bringt jedoch tatsächlich viele Probleme mit sich, da der Boden auf anderen Planeten sich vom Boden auf der Erde unterscheidet. Nehmen wir den Mars als Beispiel. Der Boden auf dem Mars enthält für uns nur schwer vorstellbare, komplexe Bestandteile, insbesondere Perchlorat , das auf der Erde vor allem zur starken Desinfektion eingesetzt wird. Beispielsweise enthalten einige Desinfektionstücher Perchlorat. Stellen Sie sich vor, dieses Desinfektionsmittel könnte alle Mikroorganismen abtöten. Würden Kartoffeln direkt in diesen Boden gepflanzt, würde ihnen wahrscheinlich dasselbe Schicksal widerfahren wie den Mikroorganismen und sie würden nicht überleben können. Wenn wir also Marsboden zum Kartoffelanbau verwenden wollen, müssen wir ihn zunächst gründlich waschen, um die Perchlorate zu entfernen, ein sehr komplizierter Prozess.

Noch wichtiger ist, dass der Marsboden keinen Dünger enthält , der für das Pflanzenwachstum unerlässlich ist. Es gibt ein chinesisches landwirtschaftliches Sprichwort, das lautet: „Eine blühende Ernte hängt vom Dünger ab“, was die Bedeutung von Düngemitteln für das Pflanzenwachstum verdeutlicht. Daher müssen die ersten Astronauten, die auf dem Mars landen, hart daran arbeiten, die Bodenbedingungen zu verbessern. Dies bedeutet jedoch nicht, dass menschliche Exkremente direkt als Dünger verwendet werden können; es muss einen Fermentationsprozess durchlaufen. Pflanzen können unvergorene Exkremente nicht aufnehmen. Erst nachdem es fermentiert und in einfache Mineralstoffe zerlegt wurde, können Pflanzen es aufnehmen und verwerten. Obwohl der Vorgang kompliziert klingt, sind wir zum Glück nicht vollständig auf Erde angewiesen, um Pflanzen anzubauen.

Viele von Ihnen haben vielleicht schon einmal versucht , Pflanzen hydroponisch anzubauen . Viele Gemüsesorten, darunter auch Kartoffeln, können ohne Erde angebaut werden, solange genügend Wasser vorhanden ist. Bei dieser neuen Anbaumethode werden die Kartoffeln nicht direkt in Wasser eingeweicht, sondern an die Luft gelegt und durch Besprühen direkt mit Nährstoffen versorgt. Diese Methode ist bereits recht ausgereift. Auch ohne Erde können wir also Gemüse anbauen. Wasser ist jedoch unverzichtbar, da es ein wesentliches Element für das Pflanzenwachstum ist.

Nehmen wir als Beispiel den Film „Der Marsianer“. Im Film bepflanzt der Protagonist auf dem Mars ein etwa 100 Quadratmeter großes Kartoffelfeld. Für den Anbau dieser Kartoffeln werden 60 Kubikmeter oder 60 Tonnen Wasser benötigt. Klingt beängstigend, oder? 60 Tonnen Wasser sind keine Kleinigkeit. Nicht das gesamte Wasser wird für das Kartoffelwachstum verwendet. ein Teil davon wird von den Kartoffeln in die Luft abgegeben. Dies liegt daran, dass bei der Aufnahme von Nährstoffen durch Kartoffeln die Flüssigkeit in ihrem Körper fließen muss , genau wie das Herz Blut pumpt.

Obwohl Pflanzen kein Herz haben, erfüllen sie mit ihren Blättern eine ähnliche Funktion. Jedes Blatt ist wie eine kleine Wasserpumpe. Wenn Wasser in die Luft abgegeben wird, erzeugt es eine winzige Kraft, um das von den Wurzeln aufgenommene Wasser nach oben zu pumpen. Obwohl diese Wasserpumpe klein ist, verbraucht sie viel Wasser. Für den Anbau von Kartoffeln auf über 100 Quadratmetern werden also 60 Kubikmeter Wasser benötigt, was eine sehr große Menge ist.

Glücklicherweise gibt es mittlerweile verschiedene Wasserspargeräte, die Wasser recyceln können und dies heute möglich machen. Daher stellt Wasser kein großes Hindernis mehr für den Gemüseanbau im Weltraum dar.

Imaginäre Weltraumfarm (AIGC-Bild). Copyright-Bilder in der Galerie. Der Nachdruck und die Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen.

Es gibt noch ein weiteres Hindernis für den Kartoffelanbau im Weltraum: Licht.

Da die Oberfläche des Mars kosmischer Strahlung, hochenergetischen Teilchen und starker ultravioletter Strahlung ausgesetzt ist, würden die Kartoffeln schnell backen, wenn wir sie direkt im Freien auf der Oberfläche des Mars anpflanzen würden. Das Problem, vor dem wir stehen, besteht darin, den Pflanzen das richtige Licht zu geben. Glücklicherweise haben wir mehrere Lösungen.

Mithilfe von Solarzellen und Photovoltaikmodulen können wir Sonnenlicht in für Pflanzen nutzbares Licht umwandeln . Darüber hinaus können wir die Effizienz von LED-Leuchten bei der Beleuchtung von Pflanzen deutlich verbessern. Wie macht man das? Die meisten Pflanzen erscheinen grün, weil sie nur bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren, hauptsächlich Rot und Blauviolett. Sie reflektieren grünes Licht, weshalb Pflanzen für uns grün erscheinen. Pflanzen benötigen kein grünes Licht, aber heute können wir LED-Lampen verwenden, die nur rotes und blauviolettes Licht ausstrahlen und so den Wachstumsbedarf der Pflanzen vollständig decken können. Daher ist es durchaus möglich, Pflanzen in einem Weltraumgarten mit entsprechendem Licht zu versorgen. Es gibt noch ein weiteres Hindernis, das sich die Leute normalerweise nicht vorstellen können: den Mangel an Kohlendioxid.

Manche Leute fragen sich vielleicht: Wird es dann immer noch einen Mangel an Kohlendioxid geben? Wir reden jeden Tag über die Reduzierung der CO2-Emissionen, aber die Auswirkungen von CO2 sind zweiseitig. Obwohl Kohlendioxid in der heutigen Propaganda oft etwas dämonisiert wird und die Menschen es für etwas Schlechtes halten, wenn das Wort Kohlendioxid erwähnt wird, überwiegen die positiven Auswirkungen von Kohlendioxid auf uns tatsächlich bei weitem die negativen Auswirkungen. Beispielsweise ist Kohlendioxid eine Schlüsselkomponente des Treibhauseffekts. Wenn der Treibhauseffekt vollständig verschwindet, wird die Oberfläche unserer Erde wahrscheinlich wie die Oberfläche des Mondes werden – der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht könnte mehrere hundert Grad Celsius betragen. Kann auf einem solchen Planeten Leben überleben? unmöglich.

Noch wichtiger ist, dass wir im Weltraumgarten die Pflanzen auch mit ausreichend Kohlendioxid versorgen. Warum ist das so? Was wir oft als Photosynthese bezeichnen, ist der Prozess, bei dem grüne Pflanzen Kohlendioxid und Wasser aufnehmen und Glukose produzieren. Dieser Vorgang wird in zwei Schritten abgeschlossen, einer ist eine Lichtreaktion und der andere eine Dunkelreaktion. Bei der sogenannten „Lichtreaktion“ handelt es sich um den Vorgang der Aufnahme von Sonnenlicht, bei der „Dunkelreaktion“ um die Umwandlung der aufgenommenen Energie in in Glukose gespeicherte Energie.

Das Bild stammt aus Shi Juns Rede PPT

Dann tritt das Problem auf. Wenn nicht genügend Kohlendioxid vorhanden ist, läuft die „Lichtreaktion“ der Photosynthese weiter, die „Dunkelreaktion“ wird jedoch behindert. Die Zellen sammeln weiterhin Sonnenlicht und diese Energie wird sich in den Zellen ansammeln. Sie werden auch einige aktivere Moleküle finden, die sich mit ihnen verbinden, beispielsweise mit Sauerstoff, wodurch schädliche freie Radikale entstehen. Diese freien Radikale können Proteine, DNA und Zellstrukturen schädigen und so direkt zur Blattfäule führen. Um mit dieser Situation fertig zu werden, können Pflanzen eine „Photorespiration“ durchführen, um das Kohlendioxid abzubauen, das sie zur Aufrechterhaltung der Photosynthese produzieren. Dies ist jedoch nur der letzte Ausweg. Vielleicht wird Kohlendioxid in zukünftigen Weltraumgärten also zu einer wertvollen Ressource.

Beim Kartoffelanbau im Weltraum gibt es eine „verborgene Ebene“ – die Schwerkraft.

Für uns Erdenbewohner ist die Schwerkraft so alltäglich, dass wir ihre Existenz leicht übersehen. Doch im Weltraum herrscht Schwerelosigkeit, was einen völlig anderen Stellenwert hat als in unserer Umgebung auf der Erde. Auch die Pflanzen, die wir ins All bringen, sind an die Schwerkraft gewöhnt. Wenn wir beispielsweise Samen in Erde pflanzen, wachsen die Setzlinge und Triebe der Pflanze nach oben, während die Wurzeln nach unten wachsen. Dies ist die Wirkung der Schwerkraft.

Wenn es keine Schwerkraft gäbe, woher wüssten die Pflanzen dann, auf welcher Seite der Himmel und auf welcher die Erde ist? Wie kann dieses Problem gelöst werden? Die gute Nachricht ist, dass chinesische Wissenschaftler im letzten Jahr den Schlüssel zur Lösung dieses Problems entdeckt haben. Sie entdeckten in Pflanzenzellen einen besonderen Partikeltyp namens Amyloplast. Wenn diese Stärkekörper der Schwerkraft ausgesetzt sind, setzen sie sich am Boden der Zelle ab. Wenn diese Partikel mit der Zellwand und der Membran in Kontakt kommen, übertragen sie Signale, die der Zelle mitteilen, wo oben ist. Daher können wir diese Entdeckung in Zukunft möglicherweise nutzen, um Pflanzen zu einem besseren Wachstum im Weltraum zu verhelfen.

Das Bild stammt aus Shi Juns Rede PPT

Erste Versuche, Kartoffeln im Weltraum anzubauen, laufen tatsächlich bereits. Auf unserer Raumstation Tiangong werden beispielsweise verschiedene Gemüsesorten angebaut, insbesondere Salat. In früheren Live-Übertragungen haben wir gesehen, wie die Astronauten in Tiangong frischen Salat genossen. Ich weiß nicht, wie sie schmecken, ich hoffe, dass jeder in Zukunft die Gelegenheit haben wird, sie zu probieren.

Gemüseanbau im Weltraum ist nicht einfach

Der Gemüseanbau auf einem Raumschiff ist sogar noch schwieriger!

Der Gemüseanbau im Weltraum ist eine Herausforderung, insbesondere in einem Raumschiff.

In den 1990er Jahren führten die Vereinigten Staaten beispielsweise ein Experiment namens „Biosphere 2“ durch, dessen Ziel die Simulation einer Miniaturerde war. Das Gebäude ist riesig und verfügt über 180.000 Kubikmeter Raum. Das Innere ist in sieben ökologische Zonen unterteilt, in denen 4.000 Arten leben, um alle Ökosysteme der Erde zu simulieren. Das Experiment dauerte 21 Monate , musste jedoch abgebrochen werden, weil die Experimentatoren fast verhungerten oder erstickten, weil das kleine Ökosystem nicht richtig funktionieren konnte.

Die größte Erkenntnis, die uns dieses Experiment liefert, ist, dass die Ökosysteme der Erde nicht einfach durch die Zusammenführung von Arten entstehen. Ein Ökosystem ist ein organisches Ganzes und kann nicht einfach durch die Anhäufung von Arten aufgebaut werden. Genauso wenig können wir Autoteile einfach aufeinanderstapeln und erwarten, dass sich daraus automatisch ein Auto zusammensetzt. Selbst wenn wir eine große Zahl von Arten zusammenbringen, entsteht nicht von selbst ein gesundes Ökosystem. Die beste Lösung bleibt der Schutz unserer Erde – dieses wunderschönen blauen Planeten.

Selbst wenn es uns eines Tages gelingen sollte, das Sonnensystem oder sogar die Milchstraße zu verlassen, um das fernere Universum zu erkunden, sollten wir nicht vergessen, dass die Erde immer unser Heimatplanet und unser schönstes Zuhause bleiben wird. Dies ist etwas, das jeder von uns im Hinterkopf behalten muss. Ich hoffe, dass jeder mit dieser Erinnerung an die Erde das Sternenmeer erkunden wird!

Planung und Produktion

Autor: Shi Jun, PhD in Botanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, leitender Forschungsbibliothekar

Herausgeber: Zhang Yang, Yang Yaping

Veranstaltungsplanung｜Su Xuan Gansu Wissenschafts- und Technologiemuseum, Abteilung für Öffentlichkeitsarbeit und Verbindungen

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin