Nächste Generation der Landwirtschaft im Weltraum auf den Weg gebracht
Vor nunmehr zwölf Jahren startete die Europäische Weltraumorganisation ESA das EMCS, eine Versuchsanlage, die der Erforschung der Pflanzenbiologie in Umgebungen mit reduzierter Schwerkraft gewidmet ist. Die Wissenschaftler lernten in all diesen Jahren, auf welche Weise Pflanzen die Richtung der Schwerkraft bereits bei sehr niedrigen Werten erfassen, und wie die Gravitation die das Pflanzenwachstum regulierenden molekularen Prozesse oder das Licht die Zellproliferation und die Pflanzenentwicklung bei fehlender Schwerkraft beeinflusst. Aber das EMCS ist noch nicht perfekt, wie Dr. Ann-Iren Kittang Jost, Forschungsleiterin bei CIRIS, hervorhebt. „Die ISS-Nutzlasten, die Experimente und Technologievorführungen unter simulierter Schwerkraftwirkung des Mondes oder Mars unter Einsatz einer Zentrifuge ermöglichen, haben ein begrenztes Volumen für den Anbau von Nutzpflanzen. Abgesehen davon wird Wasser entweder injiziert oder strömt durch Flüssigkeitssysteme, in denen Nährstoffe durch langsame Freisetzung in das Medium abgegeben werden. Hauptproblem ist, dass dadurch eine nur sehr begrenzte Steuerung der für die Pflanzen verfügbaren Nährstoffe möglich ist und es schwierig wird, die Nährstoffdynamik während der Wachstumsperiode zu untersuchen.“ Im Jahr 2015 begann Dr. Kittang Jost mit der Koordinierung des Projekts TIME SCALE (Technology and Innovation for Development of Modular Equipment in Scalable Advanced Life Support Systems for Space Exploration), um das Problem zu lösen. Das Projektkonsortium entwickelte größere Pflanzenanbaukammern mit einem Subsystem für Wasserrückgewinnung und Nährstoffmanagement (WNM) mit einem reinen Flüssigsubstrat. Ungeachtet seines Potenzials ist das WNM eines der schwierigsten, unter den Bedingungen reduzierter Schwerkraft arbeitenden Subsysteme. „Das ist ein Gebiet, auf dem viele Erkenntnisse und Technologievorführungen gebraucht werden, um an verlässliches Wissen und Erfahrungswerte zu gelangen, die zukünftigen geschlossenen regenerativen Lebenserhaltungssystemen für die Erforschung des Weltraums durch den Menschen zugute kommen werden“, sagt Dr. Kittang Jost. Um alle Erfolgschancen zu seinen Gunsten zu erhöhen, entwickelte das Projektteam Konzepte und einen Versuchsaufbau für den Anbau von Nutzpflanzen und Algen. Man erdachte ein Multiionen-Sensorsystem, mit dem Nährstoffionen überwacht werden können, und ein mit einem kompakten Gaschromatografen kombiniertes Kamerasystem zur Früherkennung von Pflanzenstress. Diese Instrumente liefern nicht nur wissenschaftliche Daten in Echtzeit, sie gestatten außerdem die Realisierung von Anbausystemen oder frühzeitige Korrekturmaßnahmen in einem Anbausystem. „Die Versuchsanordnung des Pflanzenanbausystems ist das Hauptergebnis des Projekts, aber außerdem haben wir auch ein optimales Rezept für Pflanzenwachstum gefunden, die Auswirkungen der Nitratkonzentrationen in der Nährlösung auf die Transpiration von Salat beobachtet, ein Gesundheitsüberwachungssystem mit kombinierten Kameras und Gasanalysatoren entwickelt und neuartige Technologien wie etwa Multiionen-Sensorsysteme und kompakte Gaschromatografen zur Analyse von Flüssigkeiten und Gasen in Anwendungsfällen auf der Erde und im Weltraum erfunden“, erklärt Dr. Kittang Jost. Drei dieser Produkte sind bereits auf dem Markt oder stehen kurz vor der Markteinführung: Nachrüstungen für ein kompaktes Gaschromatografiesystem, ein einzigartiger, automatisierter Multiionen-Analysator mit EC- und pH-Erfassung und das Kamerasystem zur Überwachung der Pflanzengesundheit, das derzeit im Zusammenhang mit eine Lizenzvereinbarung weiterverfolgt wird. Obgleich das Projekt nun abgeschlossen ist, werden die TIME SCALE-Partner weiterhin Pflanzen- und Algenanbausysteme für die ISS und zukünftige Weltraumforschungsmissionen entwickeln. „Es wird ein Spin-off-Unternehmen gegründet, das sich auf Wasser- und Nährstoffmanagementsysteme sowie das Bildverarbeitungsystem für die Pflanzengesundheit konzentriert“, so Dr. Kittang Jost abschließend. „Die im Rahmen von TIME SCALE erarbeiteten neuen Erkenntnisse und innovativen Technologien eröffnen neue Möglichkeiten für FuE-Projekte, die auf eine nachhaltige Lebensmittelproduktion auf der Erde und für Weltraumanwendungen abzielen.“
Schlüsselbegriffe
TIME SCALE, Landwirtschaft im Weltall, Pflanzenzucht im Weltraum, EMCS, Anbau, ISS, Algen, Nährstoffe, Weltraumforschung