Quelle: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung 3. Juni 2024.

3. Juni 2024 – Permafrostböden speichern viel CO₂ und werden oft als kritisches Kippelement im Erdsystem bezeichnet, das ab einer bestimmten Erderwärmung plötzlich und weltweit kollabiert. Doch das Bild einer tickenden Zeitbombe, die sich zunächst eher ruhig verhält und erst bei einem bestimmten Erwärmungsschwellenwert zündet, ist in der Forschung umstritten. Nach wissenschaftlicher Datenlage ist dieses Bild nicht korrekt, wie nun ein internationales Studienteam unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts zeigen konnte. Demnach gibt es nicht einen bestimmten globalen Klima-Kipppunkt, sondern viele lokale und regionale Kippelemente, die zu verschiedenen Zeitpunkten „zünden“, über die Zeit akkumulieren und den Permafrost so im Gleichschritt mit dem Klimawandel tauen lassen. Schnelles Handeln in der Gegenwart wird somit noch dringlicher, um möglichst viel Permafrost zu erhalten. Die Studie wurde nun im Fachmagazin Nature Climate Change veröffentlicht.

Permafrostböden bedecken etwa ein Viertel der Landfläche auf der Nordhalbkugel und speichern Unmengen von organischem Kohlenstoff in Form von abgestorbenen Pflanzenresten. Diese werden im gefrorenen Zustand nicht abgebaut. Erst wenn der Permafrost taut, werden Mikroorganismen aktiv und setzen viel Kohlenstoff als CO₂ und Methan in die Atmosphäre frei. Die steigenden globalen Temperaturen könnten diese gigantischen Speicher also aktivieren und den Klimawandel durch zusätzliche Emissionen massiv verstärken. In der öffentlichen Debatte ist deshalb immer wieder von einer „tickenden Kohlenstoff-Zeitbombe“ die Rede. Dies beruht auf der Annahme, dass der Permafrost ähnlich wie der Eisschild auf Grönland eines von mehreren Kippelementen im Erdsystem ist. Demnach schwindet der Permafrost im Zuge der globalen Erwärmung zunächst nur langsam. Erst beim Überschreiten eines kritischen Schwellenwertes verstärken sich die Auftauprozesse plötzlich selbst und ein rasanter, unumkehrbarer globaler Permafrost-Kollaps setzt ein. Obwohl ein solches Auftauszenario häufig vermutet wird, konnte bislang nicht geklärt werden, ob ein solcher Schwellenwert wirklich existiert und bei welcher Temperatur dieser überschritten werden könnte.

Dieser Frage ging nun ein internationales Forschungsteam um Dr. Jan Nitzbon vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) auf den Grund. „Tatsächlich ist die Darstellung des Permafrosts als globales Kippelement in der Forschung umstritten. Auf diese Unklarheit weist auch der Weltklimarat IPCC in seinem letzten Sachstandsbericht hin“, sagt der AWI-Forscher. „Wir wollten diese Wissenslücke schließen. Dazu haben wir für unsere Studie die verfügbare wissenschaftliche Literatur zu den Prozessen zusammengetragen, die das Auftauen von Permafrost beeinflussen und beschleunigen können. Unterlegt mit einer eigenen Datenanalyse haben wir alle aktuellen Erkenntnisse zu Auftauprozessen daraufhin bewertet, ob und auf welcher räumlichen Skala – lokal, regional, global – sie zu einem selbsterhaltenden Auftauen und somit zu einem ‘Kippen‘ bei einem bestimmten Erwärmungsschwellenwert führen können.“

Im Ergebnis zeigt die Studie klar: Es gibt sich selbst verstärkende, teilweise unumkehrbare geologische, hydrologische und physikalische Prozesse, diese wirken jedoch nur lokal oder regional. Ein Beispiel ist die Bildung sogenannter Thermokarst-Seen. Dabei schmilzt Eis in Permafrostböden, die daraufhin absinken. Das Schmelzwasser sammelt sich an der Oberfläche und bildet einen dunklen See, der viel Sonnenenergie absorbiert. Dadurch verstärkt sich die Erwärmung des Permafrosts unter dem See weiter und es entsteht ein sich selbst erhaltender Tauprozess in dem Gebiet um den See. Ähnliche verstärkende Rückkopplungen fanden sich auch bei anderen für den Permafrost relevanten Prozessen wie dem Verlust von borealen Nadelwäldern durch Brände – auch hier jedoch nur im lokalen bis regionalen Maßstab. „Es gibt keine Evidenz für sich selbst verstärkende interne Prozesse, die ab einem bestimmten Grad der globalen Erwärmung den gesamten Permafrost gleichzeitig erfassen und das Tauen global beschleunigen würden“, erklärt Jan Nitzbon. „Auch die geschätzte Freisetzung von Treibhausgasen würde mindestens bis zum Ende des Jahrhunderts nicht zu einem globalen Sprung in der Erderwärmung führen. Deshalb ist die Darstellung des Permafrosts als globales Kippelement irreführend.“

Eine Entwarnung für den Permafrost bedeutet dies allerdings nicht – ganz im Gegenteil. Denn die Studie macht deutlich, dass die Permafrostzone sehr heterogen ist. Viele kleine lokale Kipppunkte werden deshalb zu unterschiedlichen Zeiten und Erwärmungslevels überschritten und akkumulieren über die Zeit. Dadurch verläuft das weltweite Tauen des Permafrosts nicht langsam ansteigend und dann mit einem plötzlichen Sprung, sondern im Gleichschritt mit der globalen Erwärmung ansteigend bis zum Totalverlust bei etwa 5 bis 6 Grad Celsius globaler Erderwärmung. „Das bedeutet, dass schon heute und auch in naher Zukunft mehr und mehr Gebiete unausweichlich vom Auftauen betroffen sind“, sagt der AWI-Forscher. „Es gibt also – und so suggeriert es das Bild des Kipppunktes – keinen beruhigenden Erwärmungsspielraum, den man bis zum Schwellenwert noch ausreizen kann. Deshalb müssen wir die Permafrostgebiete mit noch besserem Monitoring im Auge behalten, die Prozesse noch besser verstehen und in Klimamodellen abbilden, um die Unsicherheiten noch weiter zu reduzieren. Und klar ist auch: Je schneller wir bei einem an die Treibhausgas-Emissionen gekoppelten Permafrostverlust als Menschheit Netto-Null-Emissionen erreichen, desto mehr Gebiete bleiben als einzigartiger Lebensraum und Kohlenstoffspeicher erhalten.“

Originalpublikation
Nitzbon, J., Schneider von Deimling, T., Aliyeva, M., Chadburn, S. E., Grosse, G., Laboor, S., Lee, H., Lohmann, G., Steinert, N., Stuenzi, S., Werner, M., Westermann, S., & Langer, M. (2023). No respite from permafrost-thaw impacts in the absence of a global tipping point. Accepted for Nature Climate Change. DOI: 10.1038/s41558-024-02011-4
https://www.nature.com/articles/s41558-024-02011-4

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• Klimawandel

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Quelle: Universität zu Köln 5. Februar 2024.

5. Februar 2024 – Ein Konsortium von deutschen Geowissenschaftler*innen erforscht in drei Expeditionen mit dem Forschungsschiff „Polarstern“ die Veränderungen des Ostantarktischen Eisschildes in der geologischen Vergangenheit. Davon wurde die zweite am 1. Februar 2024 abgeschlossen, die dritte ist noch bis Anfang April 2024 unterwegs. Die Forscher*innen stammen vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven, vom Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel (GEOMAR), sowie von der Universität zu Kiel, der TU Dresden und der Universität zu Köln. Das Konsortium hat gemeinsam mit internationalen Partnern das Projekt „East Antarctic Ice Sheet Instability“ (EASI) initiiert. Das Forschungsprojekt hat zum Ziel, aus geologischen Daten vom Antarktischen Kontinent bis in die umgebende Tiefsee abzuleiten, wie der Ostantarktische Eisschild auf den aktuellen Klimawandel reagieren wird.

Der Beitrag der Universität zu Köln zur EASI-Initiative liegt in der Rekonstruktion der Vereisungsgeschichte in heute eisfreien Regionen entlang des ostantarktischen Eisrandes. „Wir nutzen die Sedimente, die in Seen, in Fjorden und an Land in diesen Gebieten abgelagert wurden und rekonstruieren aus der Zusammensetzung und dem Alter der Ablagerungen die Entwicklung der Klima- und Umweltbedingungen“, erläutert der Kölner Geologe Professor Dr. Martin Melles. Dabei beschränken sich die Forscher*innen nicht auf die Vereisungsgeschichte. Es wird auch die Klimageschichte, mit Änderungen in der Temperatur und in den Niederschlägen, sowie die regionale Meeresspiegelgeschichte rekonstruiert. „So verstehen wir nicht nur die Vereisungsgeschichte besser, sondern können auch die Gründe für die unterschiedlichen Entwicklungen in den verschiedenen eisfreien Gebieten entschlüsseln“, ergänzt Melles. Weitere Erkenntnisse erhoffen sich die Forscher*innen von Vergleichen mit den Erkenntnissen, die das Konsortium im Südozean erlangt. „Unsere Partner sammeln Daten zu den Meeresströmungen, die Wärme in Richtung Land transportieren, oder zur Meereisbedeckung, die Gründe für Veränderungen in der Eisbedeckung an Land besser erklären.“

Auf der gerade zu Ende gegangenen Expedition „EASI-2“ wurden unter Leitung der Kölner Geolog*innen umfangreiche Forschungsarbeiten in den Vestfold Hills durchgeführt, einem 413 km² großen Landgebiet am Ostrand der antarktischen Prydz-Bucht. An dem sechs-köpfigen Team waren Forschende der TU Dresden und der australischen Universitäten Canberra und Adelaide beteiligt. Der Schwerpunkt lag auf der Gewinnung von Sedimentkernen aus einem See und einem Fjord. „Wir konnten an insgesamt vier Stationen bis zu 13 m lange Sedimentkerne gewinnen, aus denen erstmals in den Vestfold Hills die Geschichte von der Eisbedeckung über den Eisrückzug bis zu den heutigen eisfreien Bedingungen lückenlos rekonstruiert werden kann“, erläutert Melles. Die abschließende Analyse und Interpretation des umfangreichen Daten- und Probenmaterials wird im Rahmen eines dreijährigen Forschungsprojektes durchgeführt werden, welches von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.

Im Inlandeis der Antarktis sind mehr als 90 Prozent des Süßwassers auf der Erde gespeichert. Ein vollständiges Abschmelzen des Antarktische Eisschildes würde den Meeresspiegel weltweit um 57 Meter ansteigen lassen und sogar Köln, mit den Rheinwiesen bei 36.4 Meter über dem Meeressspiegel, überfluten. Darüber hinaus würde ein Abschmelzen des Eises den Wärmehaushalt der Erde und die globale Ozeanzirkulation verändern, weil die helle Eisfläche große Mengen an Sonnenstrahlung in den Weltraum zurückspiegelt und in der Antarktis ein großer Teil des Bodenwassers im Weltozean gebildet wird.

Seit einigen Jahren lässt sich ein Massenverlust des Antarktischen Eisschildes beobachten. Dieser dürfte sich nach aktuellen Klimaprognosen in der Zukunft noch verstärken. „Der Eisschild reagiert recht träge, so dass sich ein vollständiges Abschmelzen des Eises über mehrere Jahrhunderte – wenn nicht Jahrtausende – hinziehen dürfte“, so Melles. „Wir müssen uns jedoch vor Augen führen, dass die Prognosen recht große Unsicherheiten aufweisen, da die Dynamik des Eisschildes heute und in der geologischen Vergangenheit noch unzureichend verstanden ist. Hier kann unsere Forschung einen wichtigen Beitrag leisten.“

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• Planet Erde

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Quelle: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung 20. September 2023.

20. September 2023 – Das Antarktis-Gewächshaus EDEN ISS des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist zurück in Bremen nach fünf Jahren auf dem siebten Kontinent in Eis, Kälte und Polarnacht. Zahlreiche Aussaaten mit Ernten von insgesamt rund einer Tonne frischem Gemüse für die Forschung und die Versorgung der Überwinterungscrews der Neumayer-Station III des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) hat das Gewächshaus geleistet. Mit der Rückkehr endet das Projekt EDEN ISS und hinterlässt einen umfangreichen Erfahrungsschatz zum effizienten ertragreichen Betrieb in Isolation. Nun beginnen am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme Instandsetzung, Ausbau und Erneuerung für einen zweiten großen Testlauf mit Blick auf die baldige Rückkehr der Menschheit zum Mond. Das bisher größte Testgewächshaus für den Gemüseanbau in der Raumfahrt soll zukünftig zum Training angehender Mondastronauten genutzt werden.

„Das Gewächshaus EDEN ISS hat über die vergangenen Jahre in der Antarktis demonstriert, wie der zukünftige Pflanzenanbau auf Mond und Mars ohne Erde unter künstlichem Licht aussehen und funktionieren kann. Aber auch für klimatisch anspruchsvolle Regionen unseres Planeten zeigte das Projekt, wie die Versorgung mit frischem Gemüse bei effizientem Ressourceneinsatz gelingt“, sagt Dr. Anke Pagels-Kerp, DLR-Bereichsvorständin Raumfahrt. „Diese wertvollen Erfahrungen wollen wir nun gezielt nutzen. Das Gewächshaus EDEN ISS wird sich in den kommenden Monaten im Zuge des geplanten Umbaus zu EDEN LUNA wandeln. Zukünftig werden dann direkt Astronautinnen und Astronauten den Anbau von Gemüse, Salaten und Kräutern sowie die dahinterstehende Technik und nötige Prozeduren trainieren, integriert in der von DLR und ESA gemeinsam geplanten Test- und Trainingseinrichtung LUNA in Köln.“

Seit Anfang 2018 stand das vom DLR betriebene Gewächshaus EDEN ISS in der Antarktis nur 400 Meter von der deutschen Antarktisstation Neumayer III entfernt. Es war die bisher umfangreichste Langzeiterprobung des bisher größten Testgewächshauses für die anvisierte Nahrungsmittelproduktion auf Mond und Mars. Ein Testgewächshaus das als geschlossenes System von Wetter, Sonne und Jahreszeiten unabhängige Ernten sowie weniger Wasserverbrauch und den Verzicht auf Pestizide und Insektizide ermöglicht. Dabei konnten die Forschenden vielfältige Erfahrungen sammeln, insbesondere wie die hochintegrierten Anzuchtsysteme unter den extremen Bedingungen funktionieren, wie sich die menschlichen Arbeitsabläufe ideal und zeitsparend integrieren lassen, wie vorhandene Ressourcen ideal eingesetzt werden, wie sich die Mikrobiologie bei Anbau und Ernte gestaltet und wie sich Anbau und Speiseangebot von frischem Gemüse auf das Wohlbefinden der Isolierten Crew während der Überwinterung auswirken.

Abläufe optimiert, Arbeitszeit reduziert
„Mit der Gewächshauserprobung in der Antarktis haben wir eine deutliche Lernkurve verzeichnet. Zum Betriebsbeginn waren noch rund drei Stunden menschliche Unterstützung pro Tag für Wartung und Pflanzenpflege nötig. Über die Projektlaufzeit konnten wir verschieden Einsparpotentiale identifizieren, mit denen zukünftige Astronautinnen und Astronauten 40 Prozent weniger Zeit benötigen, um solch ein Gewächshaus im Betrieb zu halten. Wertvolle Zeit, die sie dann für andere Aktivitäten zur Verfügung haben “, erläutert Dr. Daniel Schubert vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme. „Zudem zeigte sich auch der positive Effekt auf das Wohlbefinden durch die Arbeit mit Pflanzen in rauer Umgebung und Isolation. Wir arbeiten bereits an weiteren Ideen und Konzepten, wie wir die einzigartige Forschungsumgebung Antarktis mit den Erfahrungen aus EDEN ISS für die Raumfahrtforschung nutzen können“, so Schubert weiter.

Eine Tonne Gemüse, Salate und Kräuter
Insgesamt gab es bei EDEN ISS vier Anbaumissionen, wobei eine Saison dazu genutzt wurde, das Gewächshaus zunächst in eine Ruhephase zu versetzen, um es dann aus der Ferne zu starten und zu betreiben. Über den gesamten Zeitraum konnten mehr als eine Tonne (1014 kg) Gemüse, Salate und Kräuter frisch geerntet werden. Salate, Kräuter, Gurken und Tomaten wuchsen von der ersten Mission an erfolgreich im Gewächshaus ebenso Radieschen und Kohlrabi. Eine besondere Herausforderung stellte Paprika dar. Nach einigen Modifikationen und einer neuen Sortenwahl gelang in den letzten zwei Gewächshausjahren auch für diese jeweils eine zufriedenstellende Ernte.

Zuletzt prägte die NASA-Gastwissenschaftlerin Jess Bunchek die Forschung im Gewächshaus EDEN ISS mit ihrer Überwinterungsmission von der sie im Frühjahr 2022 zurückkehrte. Bei ihrer Mission erreichte sie Rekorderträge für Tomaten (92 Kilogramm) und Gurken (76 Kilogramm). Paprika konnte sie immerhin 19 Kilogramm ernten. Ebenso wichtig waren die umfangreiche Daten über die Leistung und Widerstandsfähigkeit des Gewächshausystems, die Gesundheit und Produktion der Pflanzen, deren Umwelt und Mikrobiologie, zur Lebensmittelsicherheit, Ernährung und Psychologie der Besatzung sowie über die benötigten Ressourcen wie Strom und Wasser ebenso wie die benötigte Arbeitszeit. Eine der von ihr durchgeführten Studien befasste sich mit der psychologischen Wirkung von frischem Obst und Gemüse und der Möglichkeit, Pflanzen anschauen und anfassen zu können.

,,In meiner Zeit in der Antarktis hat sich vielfältig gezeigt, wie die Überwinterungscrew es genießt, im Grün der Pflanzen zu arbeiten und nach langen anstrengenden Tagen erfrischende Mahlzeiten aus dem Gewächshaus zu essen, die zudem gesund, sehr schmackhaft, und lebensmittelecht ohne Krankheitsrisiken sind. Das lässt sich auch direkt in der Raumfahrt bei Astronautencrews mit ähnlichen noch kleineren Experimenten beobachten,‘‘ erklärt Bunchek. ,,Für die Zukunft heißt das: Crews auf abgelegenen Missionen sollten die Möglichkeit haben, ihre eigenen Pflanzen anzubauen, um ihre psychische und körperliche Gesundheit zu stärken.“

Im Laufe ihrer Überwinterungsmission hatte Bunchek auch Erfolg beim Anbau verschiedener Pflanzen und Früchte, von denen einige auch schon auf der Internationalen Raumstation ISS gezüchtet wurden, darunter verschieden Senfsorten und Salate. Die „Española Improved“-Chili-Paprika sorgte im Rahmen von Buncheks Mission in der Antarktis für Würze und Vitamin C auf dem Speiseplan. Bunchek baute neben den besonders ertragreichen Tomaten und Gurken auch Bohnen, Erbsen, Blattgemüse, Brunnenkresse, Rucola, Brokkoli sowie Blumenkohl, Mangold, Spinat, Kohlrabi, Pak Choi und Radieschen an. Außerdem züchtete sie verschiedene Kräutersorten, darunter Minze, Basilikum, Petersilie, Schnittlauch, Rosmarin, Thymian und Oregano. Nach ihrer Zeit in der Antarktis widmete sie sich intensiv der Auswertung ihrer Experimente. Mittlerweile ist sie als Mitarbeiterin am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen tätig.

Überwinterungsteams schätzen die frische Versorgung
Vier Jahre lang lieferte das EDEN ISS Gewächshaus frisches Gemüse für die wechselnden Überwinterungscrews und Sommergäste der Neumayer-Station III. Mit einer kleinen Überwinterungsbesatzung und einer langen Isolationszeit ist Neumayer III ein großartiges Analog-Umfeld zum Weltraum für diese Art von Studien. Prof. Dr. Antje Boetius, Direktorin des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) erläutert: „Die Antarktis ist der dunkelste, kälteste und windigste Kontinent unseres Planeten. Das ist besonders bei der Überwinterung eine große Herausforderung für die dort arbeitenden und lebenden Menschen. Das Gewächshaus hat neben den durch frisches Gemüse und Kräuter angereicherten Mahlzeiten auch Farbe in das Leben unserer Überwinterungsteams gebracht. Die Forschung daran zeigt: Pflanzliches Leben tut Menschen gut und Innovationen zum Gemüseanbau in extremen Lebensräumen sind zukunftsrelevant. Die Antarktis ist dafür ein ideales Testgebiet. Wir werden auch künftig mit dem DLR an Projekten forschen, die der Raumfahrt, Tiefsee- und der Polarforschung nutzen und damit der Gesellschaft.“

Umbau für das Mondtraining zukünftiger Astronauten
Für den Rücktransport aus der Antarktis war das EDEN ISS Gewächshaus zwischenzeitlich in seine zwei Teilcontainer und rund 1000 einzelne Bauteile des Gewächshauskreislaufs und der hydroponischen Pflanzenzucht zerlegt. Das Gewächshaus wird nun am DLR-Standort in Bremen generalüberholt, mit neuer Technik ausgestattet und so für das Training zukünftiger Mondastronauten vorbereitet. Mitte der 2020er Jahre soll das Gewächshaus am DLR-Standort Köln in die dann neu errichtete LUNA-Halle integriert werden. „Das Gewächshaus EDEN LUNA soll mit dem Umbau zukünftig noch digitaler, vernetzter und ressourcensparender werden, erklärt Schubert. „Zukünftig soll ein robotischer Arm im Gewächshaus die trainierenden Astronauten bei ihrer Arbeit unterstützen und entlasten. Zusätzliche Kameras und ein KI gesteuertes Gewächshausmanagement werden die Überwachung der Pflanzen und ihre Versorgung optimieren. Zudem wird die Aufbereitung von Urin als Nährstofflösung in den Gewächshauskreislauf integriert“, so Schubert weiter. Die Technologie zur Aufbereitung von Urin für den Pflanzenanbau wird dabei vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin bereitgestellt.

Astronautinnen und Astronauten, die zum Mond fliegen, sollen zukünftig in Köln in der Test- und Trainingseinrichtung LUNA auf dem Gelände des DLR in Köln ausgebildet werden. Bau und Inbetriebnahme sind bis zur Mitte des Jahrzehnts geplant. Das dann umgebaute Gewächshaus EDEN LUNA wird sich in diese Forschungseinrichtung einfügen. Die Test- und Trainingseinrichtung LUNA ist ein Gemeinschaftsprojekt des DLR und der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die in Köln das Europäische Astronautenzentrum (EAC) betreibt. Am Gewächshausprojekt EDEN LUNA sind die DLR-Institute für Raumfahrtsysteme, für Datenwissenschaften, für Robotik und Mechatronik sowie für Luft- und Raumfahrtmedizin mit verschiedenen Beiträgen beteiligt.

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• Salat im Weltraum – Die Zukunft der Eigenversorgung in der Raumfahrt

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Quelle: LNDW 2023 8. Juni 2023.

Mit Experimenten, Wissenschaftsshows, Vorträgen, Laborführungen und vielen anderen Veranstaltungen bieten rund 60 Einrichtungen ein abwechslungsreiches Programm für die ganze Familie: Vom Bau einer mittelsteinzeitlichen Hütte mit Repliken steinzeitlicher Werkzeuge als Citizen-Science-Projekt über soft-robotische Handentwicklung in der humanoiden Robotik bis hin zu anderen wichtigen Themen unserer Zeit – Klimawandel, Ernährung und Digitalisierung – die Lange Nacht der Wissenschaften (LNDW) bietet tiefe Einblicke in Naturwissenschaft und Technik, in Bildung und Forschung, in Mensch und Gesellschaft, in Medizin und Gesundheit, in Kunst und Kultur.

„Es erfüllt mich mit großer Freude, dass bei der Langen Nacht der Wissenschaften erneut eine beeindruckende Anzahl von wissenschaftlichen Einrichtungen einen Einblick in ihre Forschung eröffnet. Die LNDW bietet eine herausragende Gelegenheit, die Vielfalt und Innovationskraft der einzigartigen Wissenschaftslandschaft in Berlin und Potsdam kennenzulernen. Wir verbinden damit das Ziel, Wissenschaft erlebbar zu machen: Erleben. Verstehen. Wissen.“, betonte Prof. Dr. Julia von Blumenthal, Vorstandsvorsitzende des LNDW e. V. und Präsidentin der Humboldt-Universität zu Berlin anlässlich des heutigen Pressegesprächs.

„Die Lange Nacht der Wissenschaften steht seit vielen Jahren für die Verbindung von rund 60 Wissenschaftseinrichtungen mit den Menschen in unserer Stadt. Wissenschaft hat den Auftrag, auf die vielen gesellschaftlichen Fragen – sei es im Bereich Ökologie und Klimawandel, Digitalisierung, Künstliche Intelligenz oder Gesundheitsversorgung – Antworten zu geben. Die zahlreichen Themen und innovativen Veranstaltungsformate im Programm der Langen Nacht der Wissenschaften am 17. Juni machen sie zu einer außergewöhnlich gelungenen Veranstaltung, die Forschung für die Menschen aller Altersgruppen greifbar macht und ihre Neugierde weckt.“, sagte Dr. Ina Czyborra, Senatorin für Wissenschaft, Gesundheit und Pflege.

Die Lange Nacht der Wissenschaften lebt vom Engagement der wissenschaftlichen Einrichtungen. So feiert beispielsweise die Berliner Hochschule für Technik – Gastgeberin des diesjährigen Pressegesprächs – in diesem Jahr ihr zwanzigjähriges LNDW-Jubiläum.

„Als Mitglied der vielfältigen Wissenschaftslandschaft der Hauptstadtregion ist es für uns ein besonders wichtiges Anliegen, auch Partner der Langen Nacht der Wissenschaften zu sein. Wir engagieren uns in diesem Rahmen im zwanzigsten Jahr und freuen uns, einen Abend lang unseren Gästen Einblicke in ganz unterschiedliche Themen in unseren über 100 spannenden Einzelprogrammen zu ermöglichen”, sagte Prof. Dr.-Ing. Werner Ullmann, Präsident der Berliner Hochschule für Technik.

Folgende drei Programmhighlights wurden am 8. Juni 2023 im Rahmen eines Pressegesprächs vorgestellt:
Soft-robotische Handentwicklung in der Humanoiden Robotik
Prof. Dr. Hannes Höppner, Berliner Hochschule für Technik
Im Studiengang Humanoide Robotik sowie im Forschungslabor Soft Interactive Robotics Lab (SIRo-Lab) erforschen Wissenschaftler:innen und Studierende die Entwicklung von Roboterhänden. Das Projektteam demonstriert beim Pressegespräch das Greifen von Objekten mit einem Cobot und zeigt eine vielversprechende Roboterhand.
https://www.langenachtderwissenschaften.de/programm/detail/92734
Citizen-Science-Projekt The Interaction Lab: Wie verhalten sich Menschen in historischen Umgebungen?
Prof. Dr. Antje Wilton, Freie Universität Berlin
Expert:innen der Archäotechnik erbauen eine mittelsteinzeitliche Hütte mit etlichen Repliken steinzeitlicher Werkzeuge und dokumentieren ihre Arbeitsergebnisse in einem Video. Besucher:innen sind herzliche zum Mitmachen eingeladen. Ein Begleitprogramm bietet zusätzliche Informationen. https://www.langenachtderwissenschaften.de/programm/detail/93871
Not Just Celsius – Klimagerechtigkeit auf der Kippe
Paul Baule, Interactive Media Foundation (in Kooperation mit der Humboldt-Universität zu Berlin)
Eine interaktive Datenvisualisierung verbildlicht den Besucher:innen den CO2-Ausstoß unterschiedlicher Akteur:innen und ermöglicht es ihnen, Folgen und Ursachen des Klimawandels miteinander zu vergleichen. Eine interaktive Waage macht die Verbindung von Klimawandel und sozialer Ungerechtigkeit deutlich.
https://www.langenachtderwissenschaften.de/programm/detail/92766

Das gesamte Programm finden Sie hier: https://www.langenachtderwissenschaften.de/programm

Ein besonderer Dank gilt der Senatsverwaltung für Wissenschaft, Gesundheit und Pflege, der Wall GmbH, der Berliner Sparkasse und unserer Spenderin, der Technologiestiftung Berlin.

Der Weg zum Ticket
Tickets können über die LNDW-Website oder über Ticketmaster-Vorverkaufsstellen gekauft werden. Die Lange Nacht der Wissenschaften hält dabei besondere Angebote für Gruppen und Familien bereit, z. B. mit dem reduzierten Familienticket oder dem Fünf- Freund:innen-Ticket. Die Karten berechtigen zum Besuch aller Veranstaltungen der teilnehmenden Wissenschaftseinrichtungen in Berlin und Potsdam sowie zur kostenlosen Nutzung der Sonderbusse auf den fünf Sonderbusrouten in Potsdam, Wannsee, Dahlem, Buch und Adlershof. Tickets und weitere Informationen: https://www.langenachtderwissenschaften.de/informationen/tickets

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung 6. Juni 2023.

6. Juni 2023 – Die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Ozeane ist im Zuge des Klimawandels massiv gestiegen. Einige Meeresregionen wie der Südliche Ozean rund um die Antarktis haben sich in den vergangenen 40 Jahren jedoch kaum erwärmt oder sogar leicht abgekühlt. Ein Forschungsteam des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) konnte nun zeigen, dass dies nur ein kurzfristiger Übergangszustand zu Beginn eines sehr langfristigen Klimawandels ist, im Zuge dessen sich gerade die heute noch kühleren Bereiche am stärksten erhitzen werden. Die Studie ist im Fachmagazin Nature Communications, Earth & Environment erschienen.

Seit 40 Jahren liefern Satelliten verlässliche und flächendeckende Messdaten zur Erwärmung der Ozeane. Für die Zeit davor waren Forschende noch auf lückenhafte Temperaturmessdaten etwa von Handelsschiffen angewiesen. „Dieser nun relativ lange Zeitraum mit guten Daten zeigt einen deutlichen Erwärmungstrend in den Ozeanen, die ja mit mehr als 90 Prozent einen Großteil der durch Treibhausgase erzeugten, zusätzlichen Wärme im Erdsystem aufnehmen“, sagt AWI-Ozeanograf Hu Yang, Erstautor der Studie. Diese zusätzliche Wärme ist allerdings ungleich in den Meeren verteilt. Während sich die subtropischen Ozeanregionen in den vergangenen vier Jahrzehnten sehr stark erwärmt haben, stieg die Oberflächentemperatur im tropischen Ostpazifik und in den subpolaren Meeren – etwa rund um die Antarktis – kaum oder sank sogar. „Diese Beobachtungen stehen in einem gewissen Widerspruch zum rekonstruierten Paläoklima vergangener Erdzeitalter, das beim Wechsel zu Heißzeiten die stärksten Erwärmungen in hohen Breiten rund um die Pole zeigt“, ergänzt Prof. Dr. Gerrit Lohmann, Leiter der Arbeitsgruppe Dynamik des Paläoklimas am AWI.

„Dieses Muster der letzten 40 Jahre wurde häufig als eine natürliche Klimaschwankung dargestellt, die sogenannte pacific decadal oscillation – kurz PDO“, erläutert Hu Yang. „Unsere Modellsimulationen, die wir im Rahmen der Studie durchgeführt haben, deuten allerdings in eine andere Richtung.“ Demnach sind die Erwärmungstrends das Ergebnis von Strömungsmustern in den Ozeanen, darunter vor allem dynamische Konvergenz und Divergenz. Konvergenz tritt zum Beispiel in subtropischen Wirbeln auf, in denen das warme Oberflächenwasser zusammenfließt und vertikal in die Tiefe transportiert wird (Downwelling). Divergenz findet dagegen in subpolaren Wirbeln statt, in denen Massen auseinanderfließen und kaltes Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche kommt (Upwelling).

„Dieses Muster ist allerdings nur ein im erdgeschichtlichen Maßstab extrem kurzer Übergangszustand zu Beginn des anthropogenen Klimawandels“, sagt Hu Yang. „Er tritt nur auf, so lange sich die Erwärmung in Folge steigernder CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre auf die oberen Schichten der Ozeane fokussiert.“ Langfristig – so zeigen es die Computermodelle der Forschenden – wird sich das ändern. Denn die zusätzliche Wärme wird nach und nach in die Tiefsee transportiert. „Dann werden sich die subpolaren Ozeane der hohen Breiten, die eine wichtige Verbindung zwischen den oberflächennahen Schichten und der Tiefsee darstellen, deutlich stärker erwärmen als die subtropischen Regionen. Und diese Erwärmung wird sich über Jahrhunderte fortsetzen, selbst wenn die Treibausgasemissionen in naher Zukunft nicht mehr weiter steigen. Die Folgen könnten massiv sein. So birgt dieser Trend etwa die Gefahr eines Meeresspiegelanstiegs um mehr als 10 Meter. Die jetzt schon beobachtete drastische Erhitzung der Ozeane und ihre Folgen sind also nur der Anfang.“

Originalpublikation:
Yang, H., Lohmann, G., Stepanek, C. et al. Satellite-observed strong subtropical ocean warming as an early signature of global warming. Commun Earth Environ 4, 178 (2023).
doi.org/10.1038/s43247-023-00839-w
https://www.nature.com/articles/s43247-023-00839-w

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• Klimawandel

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Quelle: DLR 2. November 2022.

2. November 2022 – Seit seinem Start vor sieben Monaten hat der deutsche Umweltsatellit EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) fleißig Daten gesammelt. Mehr als 11,4 Millionen Quadratkilometer unserer Erdoberfläche hat er aus circa 650 Kilometern Entfernung mit seinen 242 Spektralkanälen aufgenommen – eine Fläche größer als Europa. Doch diese Daten wurden noch nicht für die Wissenschaft erhoben. Sie wurden gebraucht, um das Hyperspectral Imager (HSI) Instrument optimal für den wissenschaftlichen Betrieb einzustellen und die Qualität der Daten zu überprüfen.

„EnMAP hat uns bereits in seiner sogenannten Kommissionierungsphase erstklassige Aufnahmen von herausragender Qualität von unserem Planeten geliefert. Wir freuen uns, dass wir diese Testphase im Oktober erfolgreich abschließen konnten und nun in den Routinebetrieb starten. Wir dürfen schon sehr darauf gespannt sein, welche neuen, spannenden Erkenntnisse die Wissenschaft in den kommenden Dekaden aus EnMAP-Daten für den Schutz unseres Planeten gewinnen wird. Denn sie können zum Beispiel dazu beitragen, die Erträge in der Landwirtschaft nachhaltig zu verbessern und damit die Ernährungssicherheit bei einer steigenden Weltbevölkerung sicherzustellen“, betont Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstandsmitglied und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die die EnMAP-Mission im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) führt.

Während der Kommissionierung mussten die verschiedenen Komponenten des EnMAP-Satelliten sowie das HSI-Instrument verschiedene Tests durchlaufen. In dieser heiklen Phase konnte das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen (GSOC) durch seine langjährige Erfahrung zum erfolgreichen Verlauf der Kommissionierung beitragen und wird auch weiterhin für den Betrieb und – wenn nötig – rund um die Uhr für die Sicherheit des Satelliten im All zur Verfügung stehen. Empfangen werden die EnMAP-Daten vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) und dem Institut für Methodik der Fernerkundung in Oberpfaffenhofen, die auch alle Bilder im Rahmen der Kommissionierungsphase kalibriert, auf die Eigenschaften des Instrumentes im Orbit optimiert und gemeinsam mit dem GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) die Datenqualität so stetig verbessert haben. Denn die Daten, die der Satellit zur Erde schickt, sind für den Nutzer nicht direkt verwendbar. Nur wenn sie weiterverarbeitet, also kalibriert, mit Lage- und Positionsbestimmungen versehen sowie die Einflüsse der Atmosphäre korrigiert werden, können die Nutzer am Ende quantitative und qualitative Aussagen aus den Produkten ziehen.

Ab sofort können Forscherinnen und Forscher weltweit ihre Anfragen beim DLR einreichen. Auf archivierte Daten kann unmittelbar kostenfrei zugegriffen werden. Ein Konsortium unter Leitung der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und des GFZ prüft die Beobachtungsanträge, die aus den Bereichen Einflüsse des Klimawandels, Veränderungen der Landbedeckung und Oberflächenprozesse, Biodiversität und Ökosystem, Zugang zu Wasser und Wasserqualität, natürliche Ressourcen sowie Katastrophenmanagement kommen können. Auch für die „International Charter Space and Major Disasters“ zur kurzfristigen Notfallunterstützung im Katastrophenfall wird EnMAP auf Anfrage wichtige Daten liefern und so die Rettungskräfte weltweit unterstützen. Besonders wichtig erachtet die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR die langfristige Überwachung von Umweltveränderungen. Daher wird diesem Themenkomplex ab Start der Routinephase der Mission Priorität bei der Auswahl zukünftiger Beobachtungen eingeräumt.

Auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft
Der Landwirtschaft kommt in unserer Gesellschaft eine bedeutende Rolle in den Bereichen der Nahrungsmittelversorgung, aber auch in der Baustoff- und Energieversorgung zu. Mit EnMAP eröffnen sich nun neue Möglichkeiten für die Präzisionslandwirtschaft und das landwirtschaftliche Monitoring. Denn seine spektral hochaufgelösten Daten enthalten wichtige Informationen über den Zustand und die Gesundheit von Nutzpflanzen. Am 28. Juli 2022 machte EnMAP bereits während der Kommissionierungsphase eine Aufnahme vom nördlichen Raum Münchens. Unter der Verwendung von effizienten Algorithmen und modernen Techniken des maschinellen Lernens konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Departments für Geographie an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) erstmalig biophysikalische und biochemische Pflanzeneigenschaften großflächig quantifizieren und kartieren. Durch eine wachsende Weltbevölkerung und gleichzeitig starke Umwelteinflüsse der Landwirtschaft, zum Beispiel die Emission klimawirksamer Gase betreffend, steigt die Nachfrage nach landwirtschaftlicher Produktion. Vor diesem Hintergrund können die neuen Informationen in landwirtschaftlichen Managementsystemen genutzt werden, um die Ressourceneffizienz und die Nachhaltigkeit der erforderlichen Ertragsoptimierung zu unterstützen.

Mit EnMAP „verräterischen Methanfahnen“ auf der Spur
Die Produktion fossiler Brennstoffe – hauptsächlich Öl- und Gasförderung sowie Kohlebergbau – ist für große Teile der menschengemachten Methanemissionen verantwortlich. Sie treten häufig als „Methanfahnen“ auf, die von punktförmigen Quellen ausgestoßen werden. Diese relativ kleinen Oberflächenelemente setzen verhältnismäßig große Gasmengen frei und hinterlassen damit eine verräterische Spur in der Atmosphäre. Erkennt man diese Spur schnell, dann kann man die Ursache rasch entfernen und damit die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre bedeutend verringern. Mit weltraumgestützten, bildgebenden Spektrometern wie EnMAP lassen sich diese Methanemissionen am besten weltweit und flächendeckend überwachen. Das Potenzial der deutschen Umweltmission zur Kartierung dieser Methanfahnen wurde durch erste Messungen in der Kommissionierungsphase bereits bestätigt. Bei diesen Aufnahmen wurden Öl- und Gasförderbecken im südlichen Teil Turkmenistans von EnMAP am 6. Oktober 2022 erfasst. Gleich mehrere aktive Methan-Punktquellen in dieser Region haben Forscherinnen und Forscher vom Research Institute of Water and Environmental Engineering (IIAMA) der Universitat Politècnica de València anhand abgeleiteter EnMAP-Karten zur Erhöhung der Methankonzentration entdeckt.

Einblicke in die Geologie des größten Erosionskraters der Welt
In der israelischen Wüste Negev liegt der größte, durch natürliche Erosion entstandene Krater der Welt – das Makhtesh-Ramon-Basin. In den letzten 220 Millionen Jahren hat sich das weichere Gestein wie beispielsweise Sandstein aus den Flächen härterer Sorten wie Kalkstein und Dolomit herausgewaschen, weggeschwemmt und einen einzigartigen Krater geschaffen. Dieser Nationalpark, der zu den trockensten Gegenden auf unserem Planeten gehört, ist ein Sammelbecken für Fossilien, urzeitliche Vulkankegel, Magmaspalten und -kammern sowie versteinerte Korallenriffe – aber vor allem für Mineralien, die in größter Vielfalt und Fülle dort im Gestein einlagern. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler interessieren sich besonders für diese geologische Einheiten einschließlich Sandstein, eisenoxidreiche Gesteine, Gips, Kalkstein, Dolomit, Tonminerale – wie das Schichtsilikat Kaolinit – und bereits tief in der Erde abgekühlte (plutonisch), kristalline Gesteinseinheiten. Mit dem bloßen Auge sind der Sandstein und die an die Oberfläche „gewanderten“, plutonisch kristallinen Gesteinseinheiten zwar sichtbar. Doch was verbirgt sich darunter? Welche Mengen an Gestein und Mineralien lagern dort im Felsen? Und wie sind diese Einheiten verteilt? Diesen Fragen ist EnMAP zusammen mit Forschenden des Remote Sensing Laboratory der Universität Tel-Aviv auf den Grund gegangen.

Deren Daten aus der Kommissionierungsphase des Satelliten, die vom DLR-Bodensegment prozessiert, bereitgestellt und mit dem GFZ zusammen aufbereitet wurden, geben einen guten Vorgeschmack auf die hohe Qualität der Daten, die wir während der Betriebsphase erwarten können. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten sehr genau zwischen verschiedenen Gesteinsarten (zum Beispiel Dolomit oder Kalkstein) und Mineralien (wie Tone, Sulfate) sowie Variationen innerhalb von Mineralarten aus einem Streifen von vierzig mal sieben Kilometern unterscheiden und sich ein gutes Bild von der Menge und Verteilung der kartierten Einheiten im Vergleich zu flugzeug- und bodengestützten Daten machen – Wissen, dass ohne hyperspektrale EnMAP-Bilder aus dem All gar nicht möglich wäre.

Wasserqualität im Bodensee vom All aus überwachen
Als größtes Wasserreservoir Europas spendet der Bodensee Millionen von Menschen Trinkwasser. Doch in den Monaten Juli und August 2022 erreichte der See einen traurigen Tiefststand: Bedingt durch eine lange Trockenheit in Zeiten des Klimawandels wurde am 9. August 2022 ein sehr niedriger Wasserstand von nur 3,05 Metern in Konstanz gemeldet – nur vier Zentimeter über dem saisonalen Rekord. Die Folge: Je flacher das Wasser, desto schneller erwärmt es sich. Daraufhin wurden an einigen Stellen Sedimente an die Wasseroberfläche gespült und es bildeten sich grüne Algenteppiche in riesigem Ausmaß.

Diese Teppiche wachsen besonders schnell, wo es viele Nährstoffe gibt und das Wasser warm ist. Um einen Überblick über das exzessive Algenwachstum zu bekommen, hat EnMAP am 1. August 2022 in der Kommissionierungsphase den Bodensee und seine Chlorophyll-a-Konzentration aus dem All unter die Lupe genommen. Die vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) ausgewerteten Daten dieses wichtigen Pflanzenfarbstoffs geben Aufschluss über die Photosynthese und damit über das Wachstum der Algen. Die satellitengestützten Datensätze zur Verbreitung und Produktivität verschiedener Phytoplanktongruppen sind äußerst wertvoll für die Überwachung der Wasserqualität von Binnengewässern und deren Nutzung als Wasser- und Nahrungsquelle sowie als Naherholungsgebiet.

EnMAP – die deutsche Umweltmission und ihre Partner
Die Umweltmission EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt. Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten sowie des Hyperspektralinstrumentes wurde die OHB-System AG beauftragt. Die Mission steht unter der wissenschaftlichen Leitung des GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ).

Mit dem Aufbau und dem Betrieb des Bodensegments sind drei Institute und Einrichtungen des DLR beauftragt worden: Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen führt den Satellitenbetrieb durch und überwacht ihn. Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum und das Institut für Methodik der Fernerkundung empfangen, kalibrieren und prozessieren, archivieren und machen die Satellitendaten der Wissenschaft zugänglich. Auch Firmen und Behörden werden die Daten verwenden und damit künftige Services vorbereiten. Die zukünftige Nutzung der EnMAP-Hyperspektraldaten durch Universitäten und wissenschaftliche Einrichtungen und die Entwicklung von speziellen Anwendungen werden durch BMWK-Förderprogramme unterstützt.

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• EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) auf Falcon 9

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Quelle: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung 14. September 2022.

14. September 2022 – Die Arktis hat sich in den vergangenen Jahrzehnten deutlich schneller erwärmt als der Rest der Welt. Mit Folgen für das Meereis. Um zu erfassen, wie dick die Eismassen in der Nordpolarregion sind, nutzen Forschende vor allem Satelliten. Diese Methode stößt im Sommer allerdings an ihre Grenzen, da Schmelzprozesse an der Eisoberseite die Messungen aus dem All erschweren. Ein internationales Team mit Beteiligung des Alfred-Wegener-Instituts hat nun ein Verfahren entwickelt, das erstmals ermöglicht, die Veränderungen der arktischen Meereisdicke für die Jahre 2011 bis 2021 zu bestimmen – auch in den Sommermonaten. Die Daten sind von besonderer Bedeutung für die Schifffahrt in der Arktis und werden die Qualität von Wetter und Eisvorhersagen deutlich verbessern, wie die Forschenden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature berichten, wo der Beitrag Titelgeschichte ist.

Seit den 1980er Jahren werden Satelliten eingesetzt, um die Dicke des Eises in der Arktis zu messen. Aber die Technik funktioniert nur im arktischen Winter, von Oktober bis April, wenn Eis und Schnee kalt und trocken sind. „In den Sommermonaten werden die Satelliten von Tümpeln aus Schnee und Schmelzwasser geblendet, die sich auf der Meereisoberfläche sammeln“, sagt Jack Landy, Erstautor der Studie vom Fachbereich Physik und Technologie der Universität Tromsø (UiT). „Sie können dann nicht mehr zwischen schmelzendem Eis und Wasser unterscheiden.“ Wissen über die Dicke des Meereises im Sommer sei aber wichtig, um Prognosen für das künftige Wetter und Klima zu erstellen und Sicherheitsrisiken für Projekte und Schifffahrt in der Arktis zu verringern.

Deshalb hat das Forschungsteam unter Leitung von Landy mit Hilfe von künstlicher Intelligenz frühere Daten von Satelliten untersucht, um zu sehen, wann sie Eis und wann sie Ozean registrieren. Mit Hilfe einer Deep-Learning Methode und numerischen Simulationen ist es ihnen erstmals gelungen, aus diesen Daten die Eisdicke auch während der Schmelzphase in den Sommermonaten aus dem Weltall hinreichend genau zu bestimmen. So entstand ein Datensatz, der zum ersten Mal die Dicke des Meereises in der gesamten Arktis und über ein ganzes Jahr hinweg zeigt.

Mit Vergleichsmessungen konnte die Gruppe abschätzen, wie genau die neu entwickelte Methode ist. Ein Großteil dieser Daten stammte aus den IceBird Kampagnen des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI). „Mit den Polarfliegern des AWI sammeln wir Informationen über die Zusammensetzung und die Eigenschaften des arktischen Eises und seine Veränderungen im Laufe der Zeit“, sagt Dr. Thomas Krumpen, Klimawissenschaftler am AWI und Mitautor der Studie. „Die Flugzeugmessungen sind sehr genau und decken große Bereiche ab. Sie eignen sich daher besonders für die Validierung.“

Für ein besseres Verständnis der Prozesse in der Arktis, präzisere Vorhersagen und sichere Schifffahrt
Die neuen Satellitendaten zur Eisdicke im Sommer sollen nun in Meereisvorhersagen eingesetzt werden, um deutlich früher genauere Aussagen über die Eisausdehnung und das Eisvolumen im Sommer treffen zu können. „Mit den ganzjährigen und arktisweiten Daten bekommen wir ganz neue Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean“, so Thomas Krumpen. Auch für die Schifffahrt in der Arktis und für künftige Wetter- und Klimavorhersagen seien die Ergebnisse von großer Bedeutung: „Mit den neuen Satellitendaten sind wir endlich in der Lage, Meereisvorhersagen auf der Grundlage der Eisdicke zu treffen, und zwar nicht nur für den Winter, sondern auch für den Sommer. Das wird die Sicherheitsrisiken für Schiffe und Fischerboote verringern“, sagt Jack Landy. „Wir können vorhersagen, ob an einem bestimmten Ort im September Eis vorhanden sein wird oder nicht, indem wir die Eisdicke im Mai messen.“ Laut Mitautor Professor Michel Tsamados vom University College London können die neuen Daten nicht nur die kurzfristigen Vorhersagen für das Wetter in den mittleren Breiten verbessern, sondern auch die langfristigen Prognosen für das künftige Klima.

Originalpublikation
Jack C. Landy, Geoffrey J. Dawson, Michel Tsamados, et. al.: A year-round satellite sea-ice thickness record from CryoSat-2. Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05058-5,
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05058-5.

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• Klimawandel

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 9. September 2022.

9. September 2022 – Wie Tiere in der Lage sind, natürliche Lichtquellen zu interpretieren, um ihre Physiologie und ihr Verhalten anzupassen, ist wenig verstanden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um die Biologinnen Prof. Dr. Eva Wolf (von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und dem Institut für Molekulare Biologie, Mainz) und Prof. Dr. Kristin Tessmar-Raible (von den Max Perutz Labs, Wien, dem Alfred-Wegener-Institut, Bremerhaven, und der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg) haben nun herausgefunden, dass ein Protein namens L-Cryptochrome (L-Cry) die biochemischen Eigenschaften besitzt, um zwischen Sonnen- und Mondlicht und sogar zwischen verschiedenen Mondphasen zu unterscheiden. Ihre in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass L-Cry das Mondlicht interpretieren und dadurch die inneren Kalender (auch „circalunare Uhren“ genannt) von Meeresringelwürmern synchronisieren kann, wodurch die gemeinsame sexuelle Reifung und Fortpflanzung der Tiere optimiert wird.

Viele Meeresorganismen, darunter Braunalgen, Korallen, Fische, Schildkröten und Ringelwürmer, synchronisieren ihre Fortpflanzung mit dem Mondzyklus. Bei einigen Arten, wie dem Ringelwurm Platynereis dumerilii, haben Laborexperimente gezeigt, dass das Mondlicht eine zeitliche Funktion ausübt, indem es einen inneren Mondkalender einstellt. Dadurch wird unter anderem gewährleistet, dass ein Großteil der Ringelwürmer in den Tagen nach dem Vollmond geschlechtsreif wird. „Das ist für den Arterhalt sehr wichtig, denn durch das gleichzeitige Erreichen der Geschlechtsreife wird die Chance der im Meer verteilten Tiere auf Fortpflanzung stark erhöht“, sagt Kristin Tessmar-Raible. Um das Mondlicht für ihre Zeitmessung nutzen zu können, müssen Organismen jedoch zwischen Mond- und Sonnenlicht sowie zwischen dem Licht eines Vollmonds und dem eines zu- oder abnehmenden Mondes unterscheiden können. Doch wie die Tiere dies bewerkstelligen, war bisher unklar. „Wir haben nun herausgefunden, dass das lichtempfindliche Molekül L-Cry dazu in der Lage ist, zwischen verschiedenen Lichtwertigkeiten zu unterscheiden“, sagt Kristin Tessmar-Raible. Das Molekül diene als Lichtsensor, der Lichtintensität und -dauer messen könne und die Tiere dadurch dazu bringe, ihre Entwicklung und ihr Verhalten zu synchronisieren.

Die an der Studie beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben L-Cry von der Biochemie bis zur Genetik charakterisiert. „Dadurch haben wir entdeckt, dass die Fähigkeit von L-Cry, Licht zu interpretieren, mit verschiedenen Zuständen des Moleküls korreliert“, sagt Eva Wolf. L-Cry enthalte Kofaktoren, also Nicht-Protein-Komponenten, die für seine Funktion essenziell seien. Diese Kofaktoren, sogenannte Flavin-Adenin-Dinukleotide (FAD), veränderten sich unter Lichteinfluss biochemisch. Dabei gehe das an die Dunkelheit angepasste, oxidierte FAD durch Licht in einen reduzierten Zustand über. Das Mainzer Forschungsteam fand außerdem heraus, dass L-Cry-Moleküle, die natürlichem Mondlicht ausgesetzt sind, dessen sehr geringe Photonenzahl über Stunden hinweg akkumulieren, dass aber dabei immer nur höchstens die Hälfte ihrer FADs reduziert wird. Im Gegensatz dazu bewirke Sonnenlicht mit einer mehr als zehntausendfach höheren Photonenzahl eine rasche Reduktion aller FADs. Das Forschungsteam von Kristin Tessmar-Raible konnte zudem zeigen, dass L-Cry seine Lokalisation in der Zelle verändert, je nachdem welchem Licht es ausgesetzt ist. Wie diese unterschiedliche Lokalisation zu verschiedenen Signalwegen führt, die dann die Physiologie und das Verhalten der Ringelwürmer steuern, sei eine zentrale offene Frage. Auch die Frage, wie der lichtinduzierte Transport von L-Cry zwischen Zellkern und Zytoplasma zustande komme, werde Gegenstand weiterer Untersuchungen der Forschenden sein.

Bedrohung durch künstliche nächtliche Lichtquellen
Die Entdeckung des molekularen Mechanismus könnte auch für andere biologische Uhren und lichtgesteuerte Prozesse relevant sein: „Wir denken, dass unsere Entdeckung über das monatliche Zeitmesssystem hinausgeht. Es könnte sich um einen allgemeineren Mechanismus handeln, der Organismen hilft, natürliche Lichtquellen zu interpretieren“, sagt Eva Wolf. Kristin Tessmar-Raible fügt hinzu: „Das ist für viele Organismen, die ihre Physiologie und ihr Verhalten durch Licht steuern, von zentraler ökologischer Relevanz. Mondlicht ist nicht nur eine schwächere Version des Sonnenlichts, sondern hat eine ganz andere zeitlich-ökologische Bedeutung für Organismen.“ Deshalb stellten Störungen durch künstliche nächtliche Lichtquellen eine ernsthafte Bedrohung für ganze Ökosysteme dar. Ein besseres Verständnis der Art und Weise, wie Mondlicht von Lebewesen wahrgenommen und verarbeitet werde, könne auch dazu beitragen, die negativen Auswirkungen von künstlichem Licht zu bewerten und zu begrenzen.

Veröffentlichung:
B. Poehn et al., A Cryptochrome adopts distinct moon- and sunlight states and functions as sun- versus moonlight interpreter in monthly oscillator entrainment, Nature Communications 13: 5220, 5. September 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32562-z, https://www.nature.com/articles/s41467-022-32562-z.

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• Lichtverschmutzung

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Quelle: DLR 1. Juli 2022.

1. Juli 2022 – Roboter können in Gegenden vordringen, die für Menschen gefährlich oder unerreichbar sind. Sie können sogar fremde Planeten erkunden – oder den Mond. Das wurde jetzt am Vulkan Ätna (Italien) gezeigt: Unterschiedliche Roboter haben selbstständig Aufträge erledigt – sie haben Gesteinsproben genommen, analysiert und die Ergebnisse an einen Kontrollraum weitergeleitet. Neben dieser „Geological Mission I“ wurden zwei weitere Szenarien vorgestellt. Sie bilden den Abschluss des Helmholtz-Projekts ARCHES (Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies). Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) leitet das Projekt. Die Lava-Landschaft am sizilianischen Vulkan Ätna ähnelt der Mondoberfläche und eignet sich deswegen gut als Testumgebung. Neben der losen, grobkörnigen Beschaffenheit sind auch die erstarrten Lava-Schichten realistische Herausforderungen für Erkundungsmissionen.

„Teams aus mobilen Robotern haben bei künftigen Weltraum-Missionen eine wichtige Rolle. In heterogenen Teams ergänzen und unterstützen sich die Roboter mit ihren unterschiedlichen Fähigkeiten. Sie dienen als verlängerter Arm und verlängertes Auge des Menschen“, erklärt Dr. Armin Wedler, Projektleiter im DLR-Institut für Robotik und Mechatronik. In der „Geological Mission I“ sah das so aus: Zwei Roboter waren gemeinsam autonom unterwegs. Dazu kommt noch eine Drohne. Roboter LRU1 (Light weight rover unit 1) bewertet Bodenproben über seine Kameras, er gilt im Team als der „Wissenschaftler“. LRU2 übernimmt die Rolle des „Assistenten“, er sammelt Bodenproben ein, bringt sie zum Lander oder analysiert sie mit LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy; Laser-induzierte Plasmaspektroskopie).

Für LIBS wird ein leistungsstarker gepulster Laserstrahl auf die Probe gerichtet. Das Material verdampft teilweise und über das entstandene Plasma erkennt LIBS unterschiedliche Elemente. Das ARCHES LIBS Modul ist eine Entwicklung des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme. LRU2 transportiert außerdem Materialboxen, hat Platz für Werkzeug und stellt sicher, dass LRU1 immer WLAN hat. Die Drohne ARDEA gilt im Team als „Kundschafter“ und kartiert das Gelände. Wegen des zeitweise starken Windes am Ätna konnten die Fähigkeiten von ARDEA und LIBS nicht bei allen Durchläufen eingesetzt werden.

Die drei Szenarien basieren auf unterschiedlichen Rahmenbedingungen
Die „Geological Mission I“ geht davon aus, dass die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Aufgaben der Roboter von der Erde aus überwachen. Anders ist es bei der „Geological Mission II“, die ebenfalls am Ätna gezeigt wurde. Hier werden die Roboter von einer Station im Orbit gesteuert. Neben LRU1 und LRU2 sammelt der Interact Rover Gesteinsproben und bringt sie zu einem Lander. Der Interact Rover hat einen Kameraarm und einen Greifarm, der auch ein haptisches Feedback gibt. Das heißt, er ermöglicht den weit entfernten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ein Tastgefühl für die Gesteinsproben. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat einen Roboterarm mit einer Hand als haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt. Der vierte Roboter – der Scout-Rover – ist mit einem WLAN-Repeater ausgestattet und platziert sich so, dass Interact kontinuierlich Verbindung zum Kontrollraum hat. Bei der „Geological Mission II“ arbeiten die Roboter nicht autonom, sondern werden von einer Astronautin oder einem Astronauten gelenkt.

Bei der Demomission übernahm der deutsche Astronaut Thomas Reiter diese Aufgabe in einem eigens eingerichteten Kontrollraum in Catania, der etwa 23 Kilometer entfernt war. Die „Geological Mission II“ ist gleichzeitig der Abschluss der Analog-1-Kampagne der Europäischen Weltraumorganisation ESA. 2019 hatte ESA-Astronaut Luca Parmitano im Rahmen der Analog-1-Kampagne von der Internationalen Raumstation ISS aus den Interact Rover in einer simulierten Mondumgebung in den Niederlanden gesteuert.

Antenne für die Rückseite des Mondes
Im dritten Szenario „LoFar Experiment“ ging es um die Installation und Wartung eines Niederfrequenz-Funkantennenfeldes (LoFar, Low-Frequency Radio Array). Die LRU-Rover und die Drohne ARDEA haben so die Aufstellung des Antennensystems auf der Rückseite des Mondes simuliert. Eine entsprechende Antenne könnte von der Mondrückseite in die Tiefen des Weltalls gerichtet werden.

Das Helmholtz-Zukunftsprojekt ARCHES
Im Helmholtz-Zukunftsprojekt ARCHES (Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies) werden seit 2018 heterogene, autonome, vernetzte robotische Systeme entwickelt. Nicht nur die Roboter sind unterschiedlich, sondern auch die Anwendungsfelder. Neben der Erkundung des Sonnensystems ist zum Beispiel die Umweltüberwachung der Ozeane und die Unterstützung bei Krisen auf der Erde möglich.

Die Demo-Mission „Space“, die jetzt auf dem Ätna stattfand, musste wegen der Corona-Pandemie mehrmals verschoben werden. Eine Demo-Mission „Tiefsee“, die ebenfalls zu ARCHES gehört, wurde Ende 2020 durchgeführt.

Die Demo-Mission „Space“ wurde vom DLR gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Catania durchgeführt. Weitere ARCHES-Projektpartner sind das Alfred-Wegener-Institut (AWI, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung) und das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR). Vor fünf Jahren gab es bereits die Demomission ROBEX (Robotische Exploration unter Extrembedingungen) auf dem Ätna. ARCHES erweitert auch die Erkenntnisse, die durch ROBEX gewonnen wurden.

Neben dem DLR-Institut für Robotik und Mechatronik sind das DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation, das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme und die Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining an ARCHES beteiligt.

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• DLR

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Quelle: DLR.

7. Dezember 2021 – Jess Bunchek, NASA-Gastwissenschaftlerin im Gewächshaus EDEN ISS des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) nähert sich dem Ende ihrer Mission in der Antarktis. Bunchek hat fast ein Jahr lang als Mitglied der 41. Überwinterungsexpedition auf der deutschen Neumayer III-Station gelebt und gearbeitet, die vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) betrieben wird. Sie hat extreme Kälte und neun Wochen Polarnacht überstanden. Ohne Erde und mit künstlichem Licht züchtete sie in dieser Zeit zahlreiche Gemüse- und Kräutersorten. Das vollständig autarke Gewächshaus lieferte eine reichliche Ernte für die monatelang isolierte Überwinterungscrew, darunter Brokkoli, Blumenkohl und Kohlrabi. Der gemeinsame Testlauf von DLR und NASA zeigt eine Perspektive für frische Nahrung bei zukünftigen Missionen zu Mond und Mars sowie für klimatisch anspruchsvolle Regionen auf der Erde.

„Noch nie konnten wir mit EDEN ISS so viele verschiedene Gemüse- und Kräutersorten während einer Überwinterungsmission züchten“, sagt Dr. Daniel Schubert, Leiter des Projekts vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme. „Jess Bunchek hat hier großes Geschick und großen Einsatz gezeigt, so dass wir viele neue Sorten ausprobieren konnten, darunter einige der NASA.“

Reichhaltige Ernte von Mangold bis Oregano
Im Laufe des Jahres hatte Bunchek Erfolg beim Anbau verschiedener Pflanzen und Früchte, von denen einige auch schon auf der Internationalen Raumstation ISS gezüchtet wurden, darunter verschieden Senfsorten und Salate. Die „Española Improved“-Chili-Paprika sorgte im Rahmen von Buncheks Mission in der Antarktis für Würze und Vitamin C auf dem Speiseplan, ebenso wie unter ganz anderen Bedingungen an Bord der Internationalen Raumstation ISS im Rahmen des NASA-Experiments Plant Habitat-04. Bunchek baute auch Tomaten, Gurken, Bohnen, Erbsen, Blattgemüse, Brunnenkresse, Rucola, Brokkoli sowie Blumenkohl, Mangold, Spinat, Kohlrabi, Pak Choi und Radieschen an. Außerdem züchtete sie verschiedene Kräutersorten, darunter Minze, Basilikum, Petersilie, Schnittlauch, Rosmarin, Thymian und Oregano.

„Ich bin erleichtert, wie gut die Pflanzen bisher gewachsen sind“, freut sich die Botanikerin. „EDEN ISS ist einzigartig und bahnbrechend. Wir sammeln eine große Menge an Daten über die Leistung und Widerstandsfähigkeit des Systems, die Gesundheit und Produktion der Pflanzen, deren Umwelt und Mikrobiologie, zur Lebensmittelsicherheit, Ernährung und Psychologie der Besatzung sowie über die benötigten Betriebsmittel wie Strom und Wasser ebenso wie die benötigte Arbeitszeit.“ Ray Wheeler, Senior-Wissenschaftler am Kennedy Space Center der NASA ergänzt: „Wir hoffen sehr, auf Jess‘ Erfahrungen mit EDEN ISS aufzubauen, um ein besseres Verständnis zu erlangen, was für den Anbau von frischen Lebensmitteln auf zukünftigen Missionen zum Mond und Mars erforderlich ist.“

Grünes Habitat trotz Eis, Dunkelheit und Stürmen
Während Buncheks Aufenthalt gab es einige starke Stürme, darunter einen, der die stärksten jemals in der Region gemessenen Winde aufwies. Bei starken Stürmen musste sie in der Station Neumayer III bleiben und konnte nicht nach draußen, um die 400 Meter zum Gewächshaus zu gehen. An solchen Tagen wurde das Gewächshaus EDEN ISS vollständig aus dem Kontrollzentrum am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen überwacht und gesteuert. „Ähnlich wie in der Landwirtschaft müssen wir akzeptieren, dass das Wetter und das Klima die bestimmenden Faktoren sind“, sagt Bunchek. „Das ist genau der Grund, warum ich hier bin, um zu lernen, wie wir Technologien einsetzen können, um unter extremen Bedingungen nahrhaftes Gemüse gedeihen zu lassen – sei es für eine Besatzung im Weltraum oder für Gemeinschaften, die mit dem Klimawandel zu kämpfen haben.“

Eine der von ihr durchgeführten Studien befasst sich mit der psychologischen Wirkung von frischem Obst und Gemüse und der Möglichkeit, Pflanzen anschauen und anfassen zu können. Die NASA-Astronauten auf der Internationalen Raumstation ISS haben bereits ähnliche Umfragen unter der Besatzung durchgeführt und mehrere Studien zum Anbau von Pflanzen in der Veggie-Einheit für Gemüsezucht absolviert. „Wir werden nun in der Lage sein, die Eindrücke der Astronauten auf der Raumstation, die mit Veggie und dem Advanced Plant Habitat arbeiten, mit den Eindrücken der überwinternden Besatzungsmitglieder der Neumayer Station III zu vergleichen, die mit dem EDEN-Gewächshaus interagieren“, so Bunchek. „Mit einer kleinen Überwinterungsbesatzung und einer langen Isolationszeit ist Neumayer III ein großartiges Analog-Umfeld zum Weltraum für diese Art von Studien.“

Überwinterer begeistert von frischem Gemüse
Dr. Tim Heitland, ehemaliger Neumayer-Überwinterer sowie Stationsleiter und heute medizinischer Koordinator am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) ergänzt: „Extreme Kälte, wütende Stürme und die Polarnacht: Die Antarktis ist einer der faszinierendsten Lebensräume auf unserem Planeten. Gleichzeitig ist sie das ideale Testgebiet für den Gemüseanbau unter weltraumähnlichen Bedingungen. Wie viele andere wissenschaftliche Projekte profitiert EDEN ISS von den Ressourcen der Station, und auf der anderen Seite sind die Überwinterungsteams nach wie vor begeistert von der regelmäßigen Versorgung mit frischem Gemüse.“

Bei der Zusammenarbeit mit den Forscherinnen und Forschern aus Deutschland hat Bunchek festgestellt, dass die Unterschiede zwischen den Generationen größer sind als zwischen den Herkunftsländern. „Ich habe viel von meinen Kameraden gelernt, und ich hoffe, dass sie eine wichtige Lebensweisheit von mir gelernt haben: die unendlichen Essenskombinationen mit Erdnussbutter.“ Anfang 2022 wird Jess Bunchek die Antarktis verlassen und nach rund 14 Monaten in die Zivilisation zurückkehren. Als sie nach der Polarnacht zum ersten Mal die Sonne sah, war sie sprachlos. „Es wird verrückt sein, selbst die grundlegendsten Bedingungen wie Regen, Gewitter, Felsen, Erde – und die Nacht – neu zu erfahren und zu erleben, denn mittlerweile befinden wir uns hier in der Antarktis im nicht endenden ‚Polartag‘.“

EDEN ISS: Nahrungsmittelversorgung der Zukunft
Die weltweite Nahrungsmittelproduktion ist eine der zentralen gesellschaftlichen Herausforderungen im 21. Jahrhundert. Eine steigende Weltbevölkerung bei gleichzeitigen Umwälzungen durch den Klimawandel erfordert neue Wege, um Nutzpflanzen auch in klimatisch ungünstigen Regionen kultivieren zu können. Ein geschlossenes Gewächshaus ist ein vielversprechendes Konzept für zukünftige Missionen zu Mond und Mars. Auf der Erde ermöglicht es von Wetter, Sonne und Jahreszeit unabhängige Ernten sowie weniger Wasserverbrauch und den Verzicht auf Pestizide und Insektizide. Mit dem Projekt EDEN ISS ist solch ein Modell-Gewächshaus der Zukunft unter antarktischen Extrembedingungen in der Langzeiterprobung.

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• Salat im Weltraum – Die Zukunft der Eigenversorgung in der Raumfahrt

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Quelle: DLR.

Neun Wochen Dunkelheit und Kälte bis minus 50 Grad Celsius. Unter den harschen Bedingungen der Antarktis beginnt eine gemeinsame Versuchsreihe der NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zur Gemüsezucht auf Mond und Mars. NASA-Gastwissenschaftlerin Jess Bunchek erforscht bis Anfang 2022, wie Astronautinnen und Astronauten zukünftig mit möglichst wenig Zeit- und Energieeinsatz viel Salat, Gurken, Tomaten, Paprika und Kräuter züchten können. Dafür arbeitet sie im DLR-Antarktisgewächshaus EDEN ISS. Sie stellt Gewächshaustechnik und Pflanzensorten auf die Probe. Zudem erfasst sie, wie das grüne Habitat und seine Früchte auf die isolierte Überwinterungscrew im ewigen Eis wirken. Jess Bunchek ist Teil des zehnköpfigen Überwinterungsteams auf der vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) betriebenen Neumayer Station III.

Erste Ernte: Salat, Radieschen und Kräuter
„Hier auf dem antarktischen Ekström-Schelfeis beginnt bald die Polarnacht. Allein mit den neun weiteren Mitgliedern der Überwinterungscrew fühlt es sich fast so an, als würden wir auf einem anderen Planeten ganz auf uns allein gestellt sein“, sagt Bunchek. „Es ist faszinierend in dieser lebensfeindlichen Welt das Grün ohne Erde unter künstlichem Licht gedeihen zu sehen.“ Bunchek ist Botanikerin am Kennedy Space Center der NASA, wo sie zuvor vor allem das VEGGIE-Projekt auf der Internationalen Raumstation (ISS) unterstützt hat. Nach einer technischen Überholung der Forschungsplattform EDEN ISS durch das DLR-Team konnte sie in den vergangenen Wochen die ersten Samen einsäen. Vor einigen Tagen folgte die erste Ernte von Salat, Radieschen und verschiedenen Kräutern.

NASA-Samen und neues Nähstoff-Versorgungs-System
In der Antarktis kommen besonders robuste Sorten zum Einsatz, die vom EDEN-ISS-Projektteam sowie bei Experimenten im Kennedy Space Center und im Rahmen des VEGGIE-Projekts auf der ISS ausgewählt wurden. So ist es auch Ziel der DLR/NASA-Mission, das Wachstum und den Ertrag der Sorten unter den Bedingungen des Antarktisgewächshauses zu erfassen und zu vergleichen. Zudem rückt in den Fokus, welche Mikroben mit der Pflanzenzucht im Gewächshaus gedeihen. Die NASA wird im EDEN-ISS-Modul auch ein Konzept zur Pflanzenbewässerung testen, das unter Schwerelosigkeit wie auf der Internationalen Raumstation funktionieren kann. Das System hält und transportiert das Wasser durch eine passive Methode zu den Pflanzen. „Dies ermöglicht einen direkten Vergleich mit den bisher bei EDEN ISS aktiv aeroponisch befeuchteten Pflanzen“, sagt Dr. Ray Wheeler, Pflanzenphysiologe am Kennedy Space Center. Bei der aeroponischen Bewässerung, werden die Wurzeln der Pflanzen ohne Erde regelmäßig mit einer Nährstofflösung besprüht.

Crew-Zeit, ein kostbares Gut
Säen, ernten, pflegen, putzen, warten, kalibrieren, reparieren und wissenschaftliche Tätigkeiten. Mit einem achtseitigen Spezialwürfel zur Zeiterfassung registriert Bunchek jede Sekunde ihrer Tätigkeiten im Antarktisgewächshaus. Denn Crew-Zeit wird bei späteren Missionen zu Mond und Mars ein kostbares Gut sein. „In einem ersten Testlauf des Gewächshauses während der Mission 2018 hatten wir festgestellt, dass der Betrieb noch zu viel Zeit in Anspruch nimmt“, erklärt EDEN-ISS-Projektleiter Dr. Daniel Schubert vom Bremer DLR-Institut für Raumfahrtsysteme. „Nun arbeiten wir daran Abläufe und Prozeduren zu optimieren. Wir haben viel über die Handhabung eines Gewächshauses unter Extrembedingungen gelernt. Das setzen wir mit der jetzigen gemeinsamen DLR/NASA-Mission voll um.“ Neben der Zeit der Crew steht deren Wohlbefinden im Fokus. Regelmäßig beantworten die Überwinterer Fragen zu ihren Essgewohnheiten oder wie die Pflanzen auf die Stimmung wirken. Wir hoffen, unser Verständnis für die Versorgung mit Pflanzen und frischer Nahrung für Besatzungen in abgelegenen, isolierten Umgebungen wie Neumayer III und letztendlich für den Weltraum zu verbessern“, sagt Wheeler.

Acht Monate in Isolation
Am 19. Januar erreichte Jess Bunchek mit dem Forschungsschiff Polarstern den antarktischen Kontinent. Seit dem 19. März ist die zehnköpfige Überwinterungscrew auf der vom Alfred-Wegener-Institut betriebenen Neumayer Station III auf sich allein gestellt. „EDEN ISS ist in vielerlei Hinsicht eine Bereicherung für die Crew. Ich weiß aus meiner eigenen Überwinterungserfahrung, wie sehr einem frische Lebensmittel fehlen können. Dabei geht es nicht nur um den Geschmack. Hinzu kommen die Gerüche, die Farben und die faszinierende Tatsache, dass in unwirtlicher Umgebung etwas wächst“, sagt Dr. Tim Heitland, Medizinischer Koordinator und Operations Manager beim AWI. „Deshalb gibt es in den Überwinterungsteams auch immer wieder Freiwillige, die bei der Aufzucht und Ernte der Pflanzen helfen“. Am 21. Mai beginnt dieses Jahr die Polarnacht an der Neumayer Station III. Erst ab dem 23. Juli werden wieder erste Sonnenstrahlen auf die Station scheinen. Forschende der Sommersaison und neue Versorgungsgüter werden gegen Anfang November die Isolation der diesjährigen Überwinterungscrew beenden.

In den sozialen Medien lassen sich die Aktivitäten im Antarktisgewächshaus EDEN ISS über den Hashtag #MadeInAntarctica verfolgen. Das Antarktisgewächshaus ist mit Kanälen auf Facebook und Instagram vertreten sowie mit einer Bildgalerie auf Flickr. Im Blog schreibt Jess Bunchek über ihre persönlichen Eindrücke zur Antarktismission. Mit einem neuen Tool können die Pflanzen des EDEN-ISS-Gewächshauses in der Antarktis beobachtet werden. Jeden Tag ermöglichen die Bilder von 34 Kameras zu verfolgen, wie die Pflanzen wachsen.

EDEN ISS: Nahrungsmittelversorgung der Zukunft
Die weltweite Nahrungsmittelproduktion ist eine der zentralen gesellschaftlichen Herausforderungen im 21. Jahrhundert. Eine steigende Weltbevölkerung bei gleichzeitigen Umwälzungen durch den Klimawandel erfordern neue Wege, um Nutzpflanzen auch in klimatisch ungünstigen Regionen kultivieren zu können. Ein geschlossenes Gewächshaus ist ein vielversprechendes Konzept für zukünftige Missionen zu Mond und Mars. Auf der Erde ermöglicht es von Wetter, Sonne und Jahreszeit unabhängige Ernten sowie weniger Wasserverbrauch und den Verzicht auf Pestizide und Insektizide. Mit dem Projekt EDEN ISS ist solch ein Modell-Gewächshaus der Zukunft unter antarktischen Extrembedingungen in der Langzeiterprobung. In der ersten umfangreichen Überwinterungsforschungskampagne 2018 hatte das Gewächshaus in neuneinhalb Monaten insgesamt 268 Kilogramm Nahrung auf nur 12,5 Quadratmetern produziert. Darunter waren unter anderem 67 Kilogramm Gurken, 117 Kilogramm Salat und 50 Kilogramm Tomaten. Als Ergebnis der Forschungsarbeiten entstand ein neues Gewächshaus-Konzept für die zukünftige Raumfahrtmissionen.

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Quelle: DLR.

Die Nahrungsmittelproduktion der Zukunft in Wüsten und kalten Regionen sowie unter den lebensfeindlichen Bedingungen zukünftiger Raumfahrtmissionen zum Mond oder Mars ist Forschungsantrieb für das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleitete Antarktis-Gewächshaus-Projekt EDEN-ISS. Ein Jahr verbrachte DLR-Wissenschaftler Paul Zabel im ewigen Eis mit der Gemüsezucht ohne Erde und unter künstlichem Licht. Dabei war er Teil der Überwinterungscrew der vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) betriebenen Antarktisstation Neumayer III. Die Crew erprobte den Anbau unter für Pflanzen und Menschen lebensfeindlichen Bedingungen. Am 23. August 2019 hat das EDEN-ISS-Team nun die Ergebnisse des Projekts präsentiert. Die Forscher waren erstaunt, dass sie mit deutlich weniger Energie auskamen und eine so umfangreiche Ernte einfuhren, die zudem sichtbar das Wohlbefinden und die Stimmung des Überwinterungsteams stärkte. Der Arbeitsaufwand für Betreuung und Wartung müssen aber noch deutlich gesenkt werden, um zukünftig wertvolle Astronautenzeit zu sparen. Der Betrieb des Antarktisgewächshauses geht derzeit weiter und ist offen für Forschungsgruppen weltweit. Aus den Ergebnissen und Erfahrungen des EDEN-ISS-Projekts ist ein neues Gewächshauskonzept für Mond und Mars entstanden: Entfaltbar und kompakt für den Start mit einer Falcon-9-Rakete.

„Für zukünftige astronautische Langzeitmissionen müssen Nahrungsmittel vor Ort angebaut werden. EDEN-ISS hat die Machbarkeit eines Weltraumgewächshauses in der Antarktis bewiesen und damit gezeigt, dass diese Technik auch für die Nahrungsmittelproduktion auf Mond und Mars eingesetzt werden kann“, sagt Prof. Hansjörg Dittus, DLR-Vorstand für Raumfahrtforschung und -technologie. „Das jetzt vorgestellte Konzept für ein Weltraumgewächshaus ist eine wertvolle Grundlage, auf der wir weitere Forschungsarbeit aufbauen wollen.“

Genug Nahrung für sechsköpfige Crew
„In einem Jahr Antarktis mit unserem Gewächshaus haben wir sehr anschaulich gesehen, wie sich auf kleinstem Raum genug Nahrung generieren lässt, um die Verpflegung einer sechsköpfige Crew mit einem Drittel frisch angebauter Lebensmittel zu kombinieren“, sagt EDEN-ISS-Projektleiter Dr. Daniel Schubert vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme. Das ist eine sinnvolle Ergänzung der Grundnahrungsmittel, die von der Erde mitgebracht werden. „Insgesamt haben wir in neuneinhalb Monaten 268 Kilogramm Nahrung auf nur 12,5 Quadratmetern produziert, dabei unter anderem 67 Kilogramm Gurken, 117 Kilogramm Salat und 50 Kilogramm Tomaten“, resümiert DLR-Überwinterer Dr. Paul Zabel. „Der Geschmack des frischen Gemüses und dessen Geruch haben einen bleibenden Eindruck bei der Überwinterungscrew hinterlassen und sich sichtbar positiv auf die Stimmung im Team über die lange Zeit der Isolation ausgewirkt“. Ein Zusammenhang, der auch psychologisch erforscht wird.

Der gefrorene Kontinent Antarktis zählt zu den spannendsten Forschungsregionen der Welt. „Wir gewinnen dort vor allem Daten über die globalen Klimaänderungen und die antarktische Lebensvielfalt. Das Gewächshaus ist jedoch ein hervorragendes Beispiel dafür, wie wir an der Neumayer-Station III auch an weiteren wichtigen Fragen der Zukunft forschen können. Wir haben schließlich vieles mit der Raumfahrt gemeinsam, wenn wir in für Menschen lebensfeindliche Regionen gelangen, um neue Erkenntnisse zu gewinnen. Gleichzeitig hat die dauerhafte Versorgung mit frischem Obst und Gemüse auch in diesem Jahr wieder einen sehr positiven Nebeneffekt für unsere Überwinterungscrew“, sagt Prof. Antje Boetius, Direktorin des Alfred-Wegener-Instituts, die sich bei einem Aufenthalt an der Station selbst vom Geschmack eines saftigen Riesenradieschens aus dem Gewächshaus überzeugen konnte. Der Anbau von Gemüse sei deshalb grundsätzlich auch interessant für zukünftige Missionen des Forschungseisbrechers Polarstern.

Die Leistungsaufnahme des Gewächshauses während der antarktischen Analogmission betrug im Durchschnitt 0,8 Kilowatt pro Quadratmeter Anbaufläche und war damit weniger als halb so groß wie bisher für Weltraumgewächshäuser mit 2,1 Kilowatt pro Quadratmeter angenommen. „Dies ist ein wichtiger Aspekt für einen späteren Weltraumbetrieb und lässt uns zuversichtlich in die Zukunft dieser Idee schauen“, so Projektleiter Schubert.

Drei bis vier Stunden benötigte Zabel durchschnittlich pro Tag für den Anbau der Pflanzen: „Etwa zwei Drittel der Zeit war ich mit Betrieb und Wartung der Gewächshaustechnik beschäftigt, ein weiteres Drittel benötigte ich für Aussaat, Ernte und Pflege. Für ein zukünftiges Weltraumgewächshaus muss der Aufwand wertvoller Astronautenzeit noch deutlich reduziert werden.“ Hinzu kam die für Experimente benötigte Zeit von ungefähr vier bis fünf Stunden pro Tag. Das aeroponische Anbausystem, sprich mit Nährlösung ohne Erde, ließ die Pflanzen gut gedeihen. Einige Pumpen bereiteten zwischenzeitlich Schwierigkeiten und die Biofilme in den Nährstofftanks waren unerwartet stark, was aber behoben werden konnte.

Neues Gewächshauskonzept für Mond und Mars
Als Ergebnis haben die Wissenschaftler des EDEN-ISS-Projekts nun ein neues Designkonzept für ein Weltraumgewächshaus entworfen. Dieses Gewächshaus ist für einen Start mit einer Falcon 9-Rakete konzipiert und entfaltbar, um mit ausreichend Raum auf Mond und Mars Nahrung für die Astronauten bereitzustellen. „Die Anbaufläche beträgt rund 30 Quadratmeter und ist damit fast dreimal so groß wie im Antarktis-Gewächshauscontainer. Mit diesem System lassen sich rund 90 Kilogramm frische Nahrung pro Monat züchten, was bei einer Präsenz von sechs Astronauten einem halben Kilogramm Frischgemüse pro Tag und Astronaut entspricht“, erklärt Schubert.

Das Konzept kann darüber hinaus mit einem Biofilter‐System (C.R.O.P.) verbunden werden. Sein Zweck ist es, aus Bioabfällen und Urin eine direkt zu verwendende Düngemittellösung zur Pflanzenzucht herzustellen. Damit wird das Gewächshauskonzept zu einem fast vollständigen bio-regenerativen Lebenserhaltungssystem für zukünftige Habitate. Das Konzept ist die Grundlage für weitere Forschungsarbeiten.

Ferngesteuert aus dem Schlaf geweckt
Nach der Rückkehr Paul Zabels nach Deutschland, lag das Antarktis-Gewächshaus zunächst im „Schlafmodus“, nachdem das DLR-Team vor Ort alle Systeme im Januar 2019 gewartet hatte und der Container komplett überholt wurde. Anfang Mai weckten die Bremer Forscher dann das System ferngesteuert aus seinem Schlaf und ließen es hochfahren. Eine zuvor eingebrachte Aussaat begann zu gedeihen. „Dieser Schritt diente der Erprobung eines weiteren Raumfahrtszenarios. Denn ein potenzielles Gewächshaus wird voraussichtlich bereits vor den Astronauten eintreffen und idealerweise bereits ferngesteuert seinen Betrieb aufnehmen“, erläutert DLR-Forscher Schubert. „Der Probelauf war ein voller Erfolg. Nun betreibt die aktuelle AWI-Überwinterungscrew das Gewächshaus weiter, mit kräftiger Unterstützung aus dem Bremer Kontrollzentrum, von wo aus wir so viel wie möglich aus der Ferne überwachen. Für einen minimalen Aufwand der Crew mit möglichst einfachen Abläufen bewähren sich derzeit die im vergangenen Jahr entwickelten Prozeduren.“

NASA schickt Salatsamen
Mittlerweile steht das EDEN-ISS-Gewächshaus auch anderen Forschungsgruppen weltweit offen, die in der Antarktis Pflanzenzucht-Experimente durchführen möchten. „Als einer der ersten neuen Kooperationspartner hat bereits die amerikanische Weltraumagentur NASA original NASA-Salatsamen geschickt, wie sie auch auf der Internationalen Raumstation ISS kultiviert werden und nun bei uns in der Antarktis gedeihen“, ergänzt Schubert.

EDEN-ISS: Nahrungsmittelversorgung der Zukunft
Die weltweite Nahrungsmittelproduktion ist eine der zentralen gesellschaftlichen Herausforderungen im 21. Jahrhundert. Eine steigende Weltbevölkerung bei gleichzeitigen Umwälzungen durch den Klimawandel fordern neue Wege, um Nutzpflanzen auch in klimatisch ungünstigen Regionen kultivieren zu können. Für Wüsten und Gebiete mit tiefen Temperaturen wie auch bei Weltraummissionen zu Mond und Mars ermöglicht ein geschlossenes Gewächshaus von Wetter, Sonne und Jahreszeit unabhängige Ernten sowie weniger Wasserverbrauch und den Verzicht auf Pestizide und Insektizide. Mit dem Projekt EDEN-ISS ist solch ein Modell-Gewächshaus der Zukunft unter antarktischen Extrembedingungen in der Langzeiterprobung.

EDEN-ISS wird in Zusammenarbeit mit dem Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) im Rahmen einer Überwinterungsmission auf der deutschen Neumayer-Station III in der Antarktis realisiert. Damit das Gewächshaus in der Antarktis funktioniert, arbeiten unter der Leitung des DLR zahlreiche weitere internationale Partner in einem Forschungskonsortium zusammen: Wageningen University and Research (Niederlande), Airbus Defense and Space (Deutschland), LIQUIFER Systems Group (Österreich), National Research Council (Italien), University of Guelph (Kanada), Enginsoft (Italien), Thales Alenia Space Italia (Italien), AeroCosmo (Italien), Heliospectra (Schweden), Limerick Institute of Technology (Irland), Telespazio (Italien) sowie die University of Florida (USA). Finanziert wird das Projekt aus Mitteln des Europäischen Forschungsrahmenprogramms Horizon 2020 unter der Projektnummer 636501.

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• Salat im Weltraum – Die Zukunft der Eigenversorgung in der Raumfahrt

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Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: ESA, JPL.

An der internationalen Forschungskooperation nahmen, neben der ESA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), auch das Alfred-Wegener-Institut (AWI) sowie Forschungsgruppen verschiedener Universitäten und der US-Raumfahrtbehörde NASA teil.

Nach Auswertung der Daten scheint nun klar, inwiefern die Größe der Oberfläche des arktischen Eises mit seinem Volumen zusammenhängt. Während erstere noch verhältnismäßig leicht zu bestimmen ist, erwies sich bislang die zuverlässige Bestimmung der Eisdicke, und damit des Volumens, als schwierig. Mit der Hilfe des Satelliten CryoSat-2, der für eben diesen Zweck ein spezialisiertes Radar-Altimeter an Bord hat, konnte man nun ein kohärentes Bild der Volumenentwicklung der letzten beiden Jahre zeichnen. Insgesamt hat sich die Menge des Eisen in der letzten Dekade um 36% im Herbst und 9% in den Wintermonaten verringert. Entsprechende Daten zeichnete bis 2010 etwa der amerikanische Erdbeobachtungssatellit ICESat auf.

Ergänzend zur weltraumgestützten Beobachtung wurden und werden die Messungen auch per Flugzeug, Schiff und stationärer Sonarmessung durchgeführt. Sie wirken ergänzend und erlaubten eine Zusammenführung der zeitlich nicht überlappenden Daten von CryoSat 2 und ICESat, die darüber hinaus durch die unterschiedliche instrumentelle Ausstattung der beiden Satelliten nicht ohne weiteres möglich war.

Einen weiteren maßgeblichen Nutzen hatten die Ergebnisse des internationalen Forschungsprojekts: sie ermöglichten den direkten Vergleich mit den Prognosen verfügbarer Klimasimulations-Software. Partielle Differenzen zwischen vorhandenen Klima-Modellen und den aktuellen Messdaten würden, so ein beteiligter Forscher, neue Rückschlüsse über die Klimadynamik des Poleises zulassen.

Ab 2016, in diesem Jahr will die NASA den Nachfolgesatelliten ICESat 2 starten, lassen sich noch präzisere Aussagen über die arktische Eisschmelze erwarten. Dann wären zusammen mit CryoSat 2 zeitgleich zwei spezialisierte Forschungstrabanten im Einsatz.

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