Welche Vorteile bietet der Gemüseanbau im Weltraum für Astronauten? Sie können nicht nur etwas Frisches essen!

Die Frage, wie man mithilfe von Pflanzen die für das Überleben des Menschen in außerirdischen Umgebungen notwendige Nahrung, den Sauerstoff und das saubere Wasser sicherstellen kann, ist das wichtigste Thema der Weltraumbiowissenschaften. Mit der Fertigstellung des Baus der chinesischen Raumstation werden in Zukunft weitere Experimente zum Pflanzenwachstum dort durchgeführt. Warum also Pflanzen im Weltraum züchten?

Science-Fiction-Fantasie von vor über hundert Jahren gehört heute zum Speiseplan der Astronauten

Das Wachstum von Pflanzen im Weltraum ist für die Wissenschaft von großem Interesse. Bereits 1869 wurde in der Kurzgeschichte „The Brick Moon“ darüber diskutiert, wie man auf einer Mondraumstation Bäume pflanzt. Der Autor stellt sich vor, aus Ziegeln einen künstlichen Satelliten mit 13 Kabinen zu bauen. Zu den an Bord gebrachten Vorräten gehörten auch Kleingeflügel und Getreide. Nach ihrer Ankunft im Weltraum trieben sie die Evolution gemäß der Evolutionstheorie voran und entwickelten innerhalb weniger Monate ein gesundes Ökosystem. Heute mag das wie ein Witz klingen, doch wir können behaupten, dass die Idee, Pflanzen im Weltraum zu züchten und autark zu sein, keineswegs neu ist.

Seit den Anfängen der modernen Raumfahrt werden Pflanzen häufig in erdnahe Umlaufbahnen gebracht, um dort in einer schwerelosen, aber unter Druck stehenden kontrollierten Umgebung zu wachsen. In bemannten Raumflügen können sie als Nahrung dienen, Kohlendioxid in der Luft zu Sauerstoff umwandeln und zur Regulierung der Luftfeuchtigkeit in der Kabine beitragen.

Das Anpflanzen von Pflanzen im Weltraum kann auch die Stimmung von Astronauten verbessern. Daher werden Weltraummissionen zweifellos einen wichtigen Bestandteil der bemannten Raumfahrtaktivitäten darstellen, insbesondere der zukünftigen bemannten Erforschung des Weltraums.

Astronauten kümmern sich um die Ausrüstung des Gemüseproduktionssystems in der Raumstation

Die erste Herausforderung beim Pflanzenanbau im Weltraum besteht darin, sie ohne Schwerkraft zum Wachsen zu bringen. Dabei geht es nicht nur darum, wie sich die Schwerelosigkeit auf das Wurzelwerk auswirkt, sondern auch darum, wie der Mensch für eine angemessene Beleuchtung sorgt – wenn man die Pflanzen mit direktem Sonnenlicht bestrahlt, werden sie entweder getötet oder es kommt zu unvorhersehbaren Mutationen. Insbesondere das Problem des Wurzelsystems. Wie wir alle wissen, dient das Wurzelsystem der Nährstoffversorgung der Pflanzen und seine Beziehung zum biochemischen Kreislauf der Erde sowie die Interaktion mit Mikroorganismen im Boden sind sehr komplex. Doch Weltraumflüge haben gezeigt, dass Pflanzenwurzeln auch in der Subgravitation und Mikrogravitation funktionsfähig bleiben können.

Eine orange Judasbaumpflanze, die im Januar 2016 auf der Internationalen Raumstation gewachsen ist

Nach Jahren harter Arbeit ist der Anbau von Gemüse für den Eigenbedarf im Weltraum in die experimentelle Phase eingetreten. Im Jahr 2017 wurde in einem Pflanzenwachstumsgerät auf der Internationalen Raumstation eine fünfte Charge Rüben gezüchtet. Ein Teil wurde von den Astronauten gegessen, der Rest wurde für Forschungszwecke aufbewahrt. Wir haben Grund zu der Annahme, dass Gemüsegärten und Farmen im Weltraum nicht mehr allzu weit entfernt sein werden.

Astronautin Jessica Meir genießt frisch geernteten grünen Senf auf der Internationalen Raumstation

Die ersten Pflanzen im Weltraum

Die ersten Lebewesen in den Weltraum wurden am 9. Juli 1946 von den Vereinigten Staaten ins All geschossen. Das damals verwendete Vehikel war eine aus Deutschland stammende V-2-Rakete, die auf eine Höhe von 134 Kilometern gebracht wurde. Bei den konkreten Gegenständen handelte es sich um „speziell entwickelte Samen“, es wurden jedoch keine Proben davon gefunden. Am 30. Juli 1946 gelang es den Vereinigten Staaten, eine Ladung Maissamen zu Wasser zu lassen und zu bergen. Später stiegen auch Roggen- und Baumwollsamen in den Himmel. Bei diesen frühen suborbitalen biologischen Experimenten, die von der Harvard University und dem Naval Research Laboratory durchgeführt wurden, stand die Untersuchung der Auswirkungen kosmischer Strahlung auf lebendes Gewebe im Mittelpunkt.

V2-Rakete

Am 22. September 1966 beförderte der Satellit Cosmos 110 der Sowjetunion zwei Hunde und eine Ladung feuchtigkeitsspendender Samen ins All. Zurück auf der Oberfläche keimten einige dieser Samen und brachten höhere Erträge an Salat, Kohl und einigen Bohnen als Kontrollproben auf der Erde. Im Jahr 1971 umkreiste Apollo 14 den Mond und brachte 500 Baumarten mit, darunter Sumpfkiefern, Platanen, Ahorne, Redwoods und Douglasien. Nach der Rückkehr zur Erde trieben die Baumarten aus, es konnten jedoch keine Veränderungen festgestellt werden.

Im Jahr 1982 führten Astronauten auf der sowjetischen Raumstation Saljut 7 ein Experiment durch, bei dem Alfonso Merkes, ein Wissenschaftler aus der damaligen Litauischen Sozialistischen Sowjetrepublik, und andere mithilfe des experimentellen Mikro-Gewächshauses Fiton-3 Arabidopsis thaliana züchteten. Damit waren sie die ersten Pflanzen, die im Weltraum blühten und Samen produzierten. Gleichzeitig untersuchte das US-amerikanische Skylab die Auswirkungen von Mikrogravitation und Licht auf Reis. Im Jahr 1997 gelang es im Weltraumgewächshaus SVET-2 auf der Raumstation Mir, Samenpflanzen zu züchten.

Der bereits erwähnte Cosmos 110 gehört zur sowjetisch-russischen BION-Serie biologischer Satelliten. Es basiert auf dem bergbaren Satelliten Zenit und konzentriert sich hauptsächlich auf die Auswirkungen von Strahlung auf den Menschen. Geplant ist, bis 2013 insgesamt 11 Satelliten zu starten. Dazu gehören Universum Nr. 110, Nr. 605, Nr. 690, Nr. 782 usw.

BION 5-Satellit

1971 unterzeichneten die Sowjetunion und die Vereinigten Staaten das „Vereinigte Staaten-Sowjetische Wissenschafts- und Anwendungsabkommen“. Die Sowjetunion und die USA führten 1975 ihre ersten gemeinsamen Forschungsarbeiten im Rahmen der Cosmos-782-Mission durch und beteiligten sich anschließend an acht weiteren Flugtests. Die Mission BION 11 im Dezember 1996 war die letzte Beteiligung der USA. Im Rahmen dieser Missionen führten die Amerikaner insgesamt über 100 Experimente durch, wobei die Flugtestdauer zwischen 5 Tagen für BION 6 (Cosmos 1514) und 22 Tagen für BION 1 und Cosmos 110 variierte.

Auch im Space Shuttle wurden einige Pflanzenexperimente durchgeführt. So zeichnete Alan H. Brown beispielsweise im Jahr 1983 an Bord der Raumfähre Columbia die Bewegung von Sonnenblumensämlingen auf. Sie beobachteten, dass die Setzlinge trotz der fehlenden Schwerkraft ein Rotationswachstum aufwiesen, was darauf hindeutet, dass es sich bei diesem Verhalten um ein instinktives Verhalten der Pflanze handelt.

Im Dezember 2018 brachte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt den Satelliten EuCROPIS in eine niedrige Erdumlaufbahn. An Bord der Mission befanden sich zwei Gewächshäuser, in denen Tomaten (jeweils sechs Monate lang) in simulierter Mond- und Marsgravitation gezüchtet werden sollten, wobei die Nebenprodukte der menschlichen Anwesenheit im Weltraum als Nährstoffquelle genutzt werden sollten.

Pflanzenexperimente auf der Raumstation

Von der Raumstation Saljut über die Raumstation Mir bis hin zur Internationalen Raumstation waren Pflanzenexperimente schon immer einer der wichtigsten Inhalte. Das oben erwähnte Experiment von 1982 auf der Raumstation Saljut 7 war nicht erfolgreich. Die Arabidopsis thaliana wuchs vom Samen bis zur Reife und dann bis zur Blüte und Fruchtbildung, was als begrenzter Erfolg angesehen wurde, aber das Pflanzenwachstum war sehr langsam und insgesamt schlecht. Die Pflanzen wurden 69 Tage lang im Weltraum gezüchtet. Nach der Rückkehr ins Labor auf der Erde brachen etwa 200 der Samen ihre Entwicklung ab. Darüber hinaus waren die Pflanzen viel weniger kräftig und gesünder als eine Kontrollgruppe am Boden, die im gleichen Pflanzenwachstumsapparat gezüchtet wurde, und viele der produzierten Samen waren leer.

Raumstation Saljut 7

Die Sowjetunion setzte ihr eigenes Gerät Svetoblock-M auf der Raumstation Mir ein und führte einige Weizenwachstumsexperimente durch, die jedoch ebenfalls nicht erfolgreich waren. Der Superzwergweizen wuchs 167 Tage lang, war jedoch nur 13 cm hoch und hatte nur einen Halm. Aufgrund der schlechten Lichtverhältnisse konnten (auch im Kontrollexperiment auf der Erde) keine Samen gesammelt werden. Ein Teil des Weizens kehrte ins Erdlabor zurück und reifte unter etwas höheren Lichtverhältnissen, wodurch 28 Samen entstanden.

Erst 1990 erzielten sowjetische Astronauten mit der in Bulgarien entwickelten SVET-Ausrüstung auf der Raumstation Mir erste Erfolge bei einem 54-tägigen Langzeit-Pflanzenexperiment mit weißköpfigen Karotten und Chinakohl. Seitdem wurden auf der Raumstation Mir zahlreiche Pflanzenexperimente durchgeführt und zahlreiche Ergebnisse erzielt.

Nach der Inbetriebnahme der Internationalen Raumstation bot diese bessere Bedingungen für Pflanzenexperimente. Die Testgeräte dieser Ära müssen entsprechend der Größen- und Schnittstellenanforderungen von Standardtestschränken entwickelt werden. Nicht nur die USA und Russland, sondern auch Europa und Kanada haben eigene Pflanzenexperimente durchgeführt und erfreuliche Ergebnisse erzielt.

Der Prozess des Weizens von der Keimung bis zur Ährenbildung in der Raumstation

Weltraumpflanzen der Zukunft

Wissenschaftlern zufolge ist die Schaffung eines biologischen Lebenserhaltungssystems auf Grundlage des Recyclings chemischer Elemente in der Biosphäre der Erde eine grundlegende, aber sehr komplexe wissenschaftliche Aufgabe der menschlichen Zivilisation und eine Voraussetzung für zukünftige langfristige bemannte Weltraummissionen. Theoretisch kann ein System, das höhere Pflanzen und Tiere umfasst, 90 bis 95 Prozent der Ressourcen sicherstellen, die Astronauten zum Leben brauchen.

Pflanzen werden Nahrung und Sauerstoff für die Astronauten produzieren und gleichzeitig Kohlendioxid und überschüssige Feuchtigkeit aus der geschlossenen Kabinenumgebung entfernen. In Analogie zu natürlichen Ökosystemen umfassen die Funktionen biologischer Lebenserhaltungssysteme Organismen, die die primären Nährstoffe bereitstellen. Die erste Ebene ist das Energietor des Systems, das externe Energie in biologische Nahrung umwandelt. Dies ist die Grundlage für die Existenz des Systems. Und dieser Wert wird immer noch durch die Photosynthese der Pflanzen erzeugt.

Russische Kosmonauten kümmern sich um das Lada-System auf der Internationalen Raumstation

Die nächste trophische Ebene wird von Heterotrophen besetzt, zu denen Menschen und Tiere gehören. Sie nehmen Pflanzen auf und produzieren organische Stoffe. Das letzte Glied in der Nahrungskette sind verschiedene Mikroorganismen (Pilze, Bakterien usw.), die den Abbau organischer Stoffe abschließen und diese in für Pflanzen nutzbare Mineralstoffe umwandeln.

Pflanzen sind ein wesentliches Bindeglied in biologischen Lebenserhaltungssystemen und können zukünftige Raumstationen und Raumfahrzeuge auf Reisen zu anderen Planeten unterstützen. Durch die Erzielung maximaler Erträge essbarer Pflanzenprodukte könnten Forscher die derzeit von der Erde gelieferten Nahrungsmittel durch im Weltraum angebaute frische Nahrungsmittel ergänzen.

Vision der zukünftigen Farm auf dem Mars

Pflanzen können außerdem die Atmosphäre im Raumschiff regenerieren, indem sie durch Photosynthese Sauerstoff abgeben und durch die Atmung der Astronauten entstehendes Kohlendioxid absorbieren. Gleichzeitig sind die psychologischen Auswirkungen der Gartenpflege weit entfernt von der Erde angesichts der Komplexität des Lebens und Arbeitens auf engem Raum über einen langen Zeitraum hinweg harmlos und werden zum Erfolg der Weltraummission beitragen.

Obwohl Pflanzen so wichtig sind, verfügen sie nicht über ein ausgereiftes Nervensystem und können sich deshalb schwerer an extreme räumliche Bedingungen anpassen als Menschen und Tiere. Sie reagieren auf widrige Umweltbedingungen, indem sie „gestresst“ werden, ihr Wachstum einstellen oder sogar absterben. Frühe Anzeichen von Stress sind mit bloßem Auge nicht erkennbar. Bis die Menschen es entdecken, sind die Pflanzen möglicherweise schon zu stark beschädigt, um sie zu retten.

Dies ist die Hauptaufgabe heutiger Weltraumexperimente. Durch die Einführung automatischer Überwachungsmethoden zur Überwachung der Photosynthese und Transpiration von Pflanzen können wir den Pflanzen eine „stressfreie Wachstumsumgebung“ bieten, um sicherzustellen, dass sie normal wachsen, blühen und Früchte tragen und zu Nahrungsmitteln für den Menschen werden.