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: 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.

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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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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• Eu:CROPIS

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