Quelle: DLR.

11. April 2019 – Nach seinem Start am 3. Dezember 2018 hatten die Ingenieure des DLR den Satellit erfolgreich getestet und kommandiert. Am 5. Dezember wurden dann die Experimente in Betrieb genommen. Da im Januar 2019 das Hochladen einer aktualisierten Software der beiden Gewächshäuser im Inneren des Satelliten für Verzögerungen sorgte, planten die Ingenieure und Wissenschaftler die Reihenfolge der weiteren Experimente um: Nach den Versuchen mit dem Mini-Onboard Computer SCORE und dem Experiment RAMIS zur Strahlungsmessung wurde nun als drittes Experiment „Powercell“, ein Missionsbeitrag der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA, unter Mondbedingungen aktiviert. Sobald dieses beendet ist, wird erneut Software für die weitere Aktivierung der Gewächshäuser zum Satelliten hochgeladen.
Künstliche Schwerkraft durch Rotation
„Der Betrieb des Satelliten verläuft bisher reibungslos“, erläutert Projektleiter Hartmut Müller vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme. So entfalteten sich nach dem Start wie geplant die Solarpaneele des Satelliten.

Ein Foto, das die ausgeklappten Paneele zeigt, wurde von SCORE, dem ersten im DLR entwickelten Onboard-Computer, zur Erde gesandt. Nachdem der Satellit seine Zielhöhe von 600 Kilometern erreicht hatte, versetzten ihn die DLR-Ingenieure in Rotation, um sich der Mondgravitation, dem 0,16-fachen der Erdschwerkraft, anzunähern. „Dies haben wir mittlerweile erreicht, so dass das NASA-Experiment starten konnte.“ Für das Experiment an der Außenseite des Satelliten werden nun zwei Bakterienarten im All aus ihrem Winterschlaf geholt. Im späteren Verlauf des Experiments sollen die Bakterien biologische Stoffe produzieren, die auch bei einem Aufenthalt auf Mond und Mars produziert werden könnten. Voraussichtlich im Sommer 2019 wird „Powercell“ beendet sein.

Technologie für Langzeitmissionen
Im Anschluss daran sollen dann die beiden Gewächshäuser aktiviert werden, in denen Tomatensamen unter Mond- und Marsbedingungen keimen sollen. Die roten Früchte sind dabei der Indikator, dass das auf der Erde bereits erfolgreich getestete geschlossene Lebenserhaltungssystem auch unter reduzierter Schwerkraft funktioniert. Dabei wird künstlicher Urin und Karbonat – diese Stoffe simulieren den atmenden Astronauten und die Abfälle, die er produziert – in dem Biorieselfilter C.R.O.P., in dem Bakterien in Lavagestein leben, in Nährstoff für die Pflanzen umgewandelt. Die einzelligen Algen, Euglena gracilis, die die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) beisteuert, unterstützen das System dabei. Die Mission ist ein erster Schritt, um zu testen, wie biologische Lebenserhaltungssysteme als eine Technologie für die Nahrungsversorgung auf einer Langzeitmission eingesetzt werden können. Erstmals sollen Samen in so großer Entfernung von der Erde zur Keimung gebracht und das Pflanzenwachstum beobachtet werden.

Gewärmt und beleuchtet im Winterschlaf
„Zurzeit testen wir in unseren irdischen Laboren, wie wir die optimierte Software erneut hochladen und das erste Gewächshaus in Betrieb nehmen“, sagt der wissenschaftliche Leiter der Mission, Dr. Jens Hauslage vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. Beim planmäßigen Hochladen hatte sich die Experimentanlage im Inneren des Satelliten in einen Sicherheitsmodus versetzt. „Die Gewächshäuser sind sehr komplexe und empfindliche Systeme – selbst ein Schaden durch ungewöhnlich erhöhte Strahlung im Weltall ist nicht vollständig ausgeschlossen“, erläutert der wissenschaftliche Leiter. „Stünde das Experiment in unserem Labor auf der Erde, wäre es natürlich einfacher, zu verstehen, was diese Reaktion ausgelöst hat.“ Für die Tomatensamen, die Bakterien im Biofilter und die Augentierchen bedeutet die geänderte Abfolge der Experimente eine zusätzliche Pause bei komfortablen Bedingungen: Der Drucktank, in dem sich die Gewächshäuser und ihre Passagiere befinden, wird auf rund 17 Grad Celsius geheizt, die Augentierchen, die sich in feuchter Watte im Winterschlaf befinden, werden rund um die Uhr mit dem lebenswichtigen Licht angestrahlt. „In diesem Zustand kann die Biologie des Experiments Eu:CROPIS noch mindestens neun Monate unbeschadet im All auf ihren Einsatz warten.“

Das Atmen der Strahlungsgürtel
Daten zur Strahlung messen bereits seit dem 5. Dezember 2018 Strahlungsforscher Dr. Thomas Berger und sein Team vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. Für das Experiment RAMIS sitzen an der Außenseite sowie im Inneren des Satelliten zwei baugleiche Messgeräte, die die kosmische Strahlung erfassen. „Für uns ist die Eu:CROPIS-Mission sehr spannend, da der Satellit über die Pole fliegt und somit durch seinen Orbit nahezu die gesamte Erdoberfläche abdeckt“, erläutert der wissenschaftliche Leiter des Experiments, Thomas Berger. „Dies ermöglicht es uns, die Variation der galaktisch kosmischen Strahlung in Abhängigkeit des Orbits und der Abschirmung des Erdmagnetfeldes zu bestimmen.“

Gleichzeitig können die DLR-Strahlungsforscher die Strahlungsgürtel der Erde vermessen: Eu:CROPIS fliegt durch die äußeren Strahlungsgürtel, die hauptsächlich von niederenergetischen Elektronen besetzt sind, sowie durch die inneren Strahlungsgürtel (die Südatlantische Anomalie), die vorwiegend von Protonen bevölkert ist. Die genaue Vermessung vor allem der äußeren Strahlungsgürteln ist beispielsweise innerhalb der Internationalen Raumstation ISS nicht möglich – deren Orbit überfliegt nicht diese hohen Breitengrade. Die erfassten Daten sind die Basis für die Bestimmung des Ortes und der Intensität der äußeren Strahlungsgürtel, die vor allem zur Verifikation von Modellen der Strahlungsgürtel verwendet werden können. „Erste Ergebnisse des RAMIS-Detektors an der Außenseite zeigen sehr schön das „Atmen“, das heißt die tägliche Variation der Teilchenflüsse der Elektronen der äußeren Strahlungsgürtel, die Größe der Südatlantischen Anomalie und die Änderung der galaktisch kosmischen Strahlung in Abhängigkeit des Orbits des Satelliten.“

Der Einsatz der Strahlungssensoren im Inneren des Satelliten wird vor allem dann wichtig, wenn die Gewächshäuser aktiviert sind: Zum einen kann vermessen werden, wie gut die Abschirmung des Satelliten vor Strahlung schützt, zum anderen erhalten die für das geschlossene Lebenserhaltungssystem zuständigen Wissenschaftler Informationen über die Strahlungsdosis, denen die Versuchspflänzchen, die Tomaten, während ihrer Mission ausgesetzt sind.

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• Eu:CROPIS

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Quelle: Kai Dürfeld.

Von außen betrachtet, sieht der Satellit Eu:CROPIS unspektakulär aus: eine Tonne, 100 Zentimeter im Durchmesser und 110 Zentimeter hoch, dazu vier Solarpaneele. Interessant wird es unter seiner silbrig glänzenden Haut: Dort finden in zwei Mini-Gewächshäusern Experimente statt, die für künftige Weltraummissionen eine entscheidende Bedeutung bekommen könnten. Seit Mitte Dezember 2018 kreist der Satellit inzwischen um die Erde, beobachtet von Wissenschaftlern aus mehreren deutschen Forschungsinstituten.

„Darüber, dass wir für lange Missionen im All unsere Nahrungsmittel vor Ort erzeugen müssen, sind sich die Kollegen einig“, sagt Jens Hauslage vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Wie die organischen Abfälle dann aber recycelt werden sollen, darüber hat sich kaum jemand Gedanken gemacht.“ Hauslage ist wissenschaftlicher Leiter der Eu:CROPIS-Mission – und will mit seinen Kollegen herausfinden, ob im Weltraum ein ähnlicher Kreislauf funktioniert wie auf der Erde. Dort wird totes Material zersetzt und umgewandelt und steht dann der nächsten Pflanzengeneration als natürlicher Dünger wieder zur Verfügung. „Dafür brauchen wir die Funktionalität des Bodens“, erklärt Hauslage, „aber das geht im Weltraum nicht so einfach. Wir können auf der ISS keinen Komposthaufen betreiben.“

„Die Tomaten sind für uns nichts weiter als ein Biosensor. Wir haben uns für sie entschieden, weil sie mit ihrer roten Farbe für die 16 Kameras sehr gut zu sehen sind.“
Eine mögliche Lösung ist der Filter, den die Forscher „C.R.O.P“ genannt haben und der dem Satelliten auch seinen Namen gegeben hat: „Combined Regenerative Organic Food Production“ heißt er ausgeschrieben, und Fachmann Hauslage bezeichnet ihn als „Rieselfilter“. Er imitiert den Boden auf der Erde und stellt die recycelten Nährstoffe – quasi den Kompost – in flüssiger Form bereit. So sollen dann in einem zweiten Schritt im Weltraum Tomaten wachsen. „In manchen Berichten hieß es, wir würden Tomaten im Weltall züchten“, sagt Jens Hauslage. „Dabei sind die Tomaten für uns nichts weiter als ein Biosensor. Wir haben uns deshalb für sie entschieden, weil sie mit ihrer roten Farbe für die 16 Kameras sehr gut zu sehen sind.“ Im Mittelpunkt seines Interesses steht der künstliche Urin, der im Filter verarbeitet wird – und generell die Frage, wie biologische Systeme unter veränderten Schwerkraftbedingungen zurechtkommen.

Antworten darauf sucht auch Michael Lebert. Er lehrt Zellbiologie an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und verantwortet mit seinem Team die zweite wichtige Aufgabe an der Eu:CROPIS-Satellitenmission: Mit an Bord sind winzige Organismen, denen beim Wachstum der Tomaten eine besondere Rolle zukommt. Wenn die Tomaten keimen, übernehmen Einzeller die Versorgung mit Sauerstoff – sie betreiben Photosynthese. Außerdem entgiften sie bei Bedarf das System, denn hin und wieder kann es passieren, dass sich im C.R.O.P.-Filter zu viele Ammoniumionen anhäufen. Für die Pflanzen wäre das nicht besonders gesund. Die eingesetzten Einzeller hingegen fressen Ammonium sehr gern.

„Euglena gracilis“ heißen die Winzlinge, die Michael Lebert für die Experimente verwendet – besser bekannt als Augentierchen. „Wir finden bei Euglena zu einer Hälfte pflanzliche und zur anderen Hälfte tierische Gene“, erklärt Lebert. „Dieser Organismus betreibt zwar Photosynthese, ist aber keine Alge. Andererseits kann er sich wie eine tierische Zelle auf einer Oberfläche bewegen.“ Bereits seit er in Marburg botanische Physiologie studiert hat, ist Lebert von den kleinen Organismen fasziniert. Ganz besonders beschäftigt ihn dabei die Frage, wie sie sich unter veränderten Schwerkraftbedingungen verhalten. Denn während sich Faktoren wie die Zusammensetzung der Atmosphäre, die Intensität des Sonnenlichts oder die Beschaffenheit des Bodens über die Epochen der Erdgeschichte hinweg geändert haben, ist die Gravitation der einzig konstante Reiz, der das Leben seit Jahrmilliarden beeinflusst. Wie seine Augentierchen auf den Wegfall dieses Reizes reagieren, haben Lebert und sein Team schon auf Parabelflügen und mit Experimenten auf der ISS untersucht. Nun folgen die Schwerkraftbedingungen von Mond und Mars, den wahrscheinlichsten Zielen bemannter Raumfahrt in den kommenden Jahren. Der Satellit Eu:CROPIS ist der erste Satellit, in dem künstliche Schwerkraft erzeugt wird. Dazu dreht er sich um seine eigene Achse. Während im Zentrum des Satelliten weiterhin Schwerelosigkeit herrscht, nimmt die Schwerkraft in Richtung Außenwand zu.

Zuerst sollen für sechs Monate die Bedingungen auf dem Mond simuliert werden, danach weitere sechs Monate die auf dem Mars. Um zu ergründen, wie ihre Schützlinge darauf reagieren, hat sich die Erlanger Arbeitsgruppe einiges ausgedacht. „Wir beobachten die Oberfläche des Euglena-Tanks mit einem Linienscanner“, erzählt Lebert. Dazu wird die Zellsuspension von der Seite angeleuchtet. Dann werden die Pumpen ausgeschaltet. Diese wälzen den Inhalt des Tanks normalerweise um. Denn Euglenen neigen dazu, sich festzusetzen und darunter würde die Entgiftungsarbeit leiden. Ohne diese sanfte, aber stete Strömung verteilen sich die Augentierchen an den Stellen, wo ihnen die Schwerkraft zusagt. Diese Ansammlungen streuen und absorbieren das Licht anders. Der Linienscanner nimmt diese Signale auf und die Wissenschaftler können erkennen, welche Schwerkraftwerte die Einzeller mögen und welche sie nicht mehr wahrnehmen können.

„Ich persönlich finde aber die genetischen Untersuchungen am spannendsten“, sagt Michael Lebert. „Dazu haben wir eine Analyseeinrichtung entwickelt, mit der wir Veränderungen an bis zu 500 Genen der Augentierchen beobachten können. Uns interessiert ja, was die Organismen gerade herstellen.“ Dazu haben sie ein aufwendiges Verfahren entwickelt, mit dem es erstmals gelingt, solche Untersuchungen im Weltall vorzunehmen. Ganz anders lief die Konstruktion des C.R.O.P.-Filters. Sein Herzstück ist Lavagestein, in dem verschiedenste Mikroorganismen leben, die den künstlichen Urin aufspalten sollen. „Beim typischen ingenieurtechnischen Ansatz würde man einzelne Organismen gezielt auswählen und unter sterilen Bedingungen einsetzen“, erklärt DLR-Forscher Jens Hauslage. „Von denen wird dann erwartet, dass sie miteinander kooperieren und ein biologisches System ermöglichen.“

„Mit C.R.O.P. eliminieren wir einen Problemstoff und gewinnen auf biologischem Wege ein hochwertiges Düngemittel“
Dass dieser Ansatz gelingt, sei allerdings unwahrscheinlich. Aus eigener Erfahrung weiß der Gravitationsbiologe: „Entweder haben wir ein funktionierendes System, das wir aber nicht 100-prozentig verstehen. Oder wir haben eines mit wohldefinierten Organismen, das dann aber meist nicht funktioniert“, erklärt Hauslage.

Deshalb hatte es für ihn oberste Priorität, einen geeigneten Lebensraum anzubieten – welche Mikroorganismen genau sich darin ansiedeln, hat er ihnen selbst überlassen. „Die erste Community haben wir mit einem Löffel Gartenerde eingeimpft. Die Organismen, die sich in diesem Habitat wohlfühlen, haben sich vermehrt und letztlich auch durchgesetzt.“

Ihren Spezialfilter können die Wissenschaftler inzwischen auch auf der Erde einsetzen. „Irgendwann meinte ein Kollege: ‚Warum schütten wir denn nicht mal Gülle auf den Filter?'“, erinnert sich Jens Hauslage. Das häufige Problem der Überdüngung von Feldern und der Emission von Ammoniak könnte sich mit dem C.R.O.P.-Filter lösen lassen: In mehreren Testserien konnte er 100-prozentigen Urin und 100-prozentige Gülle zu einem nitratreichen und gut lagerfähigen Salz verstoffwechseln. „Ich spreche gern von einer Veredlung der Gülle“, sagt der DLR-Forscher. „Denn mit C.R.O.P. eliminieren wir einen Problemstoff und gewinnen auf biologischem Wege ein wirklich hochwertiges Düngemittel.“Auch Medikamentenrückstände können die Mikroorganismen aus dem Filter wirkungsvoll abbauen.

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