Space-Farming, wie wir dank der Weltraumlandwirtschaft in anderen fernen Welten gedeihen werden

So wie die Erdatmosphäre mit Hilfe der Sonne von Pflanzen gereinigt wird, so kann auch unsere künstliche Atmosphäre erneuert werden... Die Pflanzen, die wir auf unsere Reise mitnehmen, können ununterbrochen arbeiten. Das schrieb der russische Pionier der Raumfahrt, Konstantin Ziolkowski, zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Die Menschheit bereitet sich auf Weltraummissionen vor, die mehrere Monate oder Jahre dauern könnten, bei denen lebenswichtige Ressourcen wie Sauerstoff, Wasser und Nahrung stark begrenzt sind und nur durch Versorgungsmissionen wieder aufgefüllt werden können. Die Antwort ist dieselbe, die wir seit der Jungsteinzeit kennen: Landwirtschaft. Der Anbau von Pflanzen auf anderen Welten verringert nicht nur die Abhängigkeit von Versorgungsmissionen, sondern ebnet auch den Weg für eine erneuerbare Nahrungsquelle, die zur langfristigen Nachhaltigkeit außerirdischer Umgebungen beitragen kann. Der Weltraum ist eine für die Landwirtschaft feindliche Umgebung und birgt eine Reihe von Problemen, die gelöst werden müssen, darunter die Schwerelosigkeit, die Notwendigkeit künstlicher Beleuchtung, die Knappheit von Wasser und anderen lebenswichtigen Nährstoffen sowie die begrenzte Menge an verfügbarem Boden. Die Schwerkraft spielt eine wichtige Rolle für die Entwicklung von Pflanzen, da sie ihnen vorgibt, wo sie Blätter und Wurzeln bilden sollen. Daher wird die Entwicklung von Pflanzen unter den für einen Raumflug typischen Mikrogravitationsbedingungen erheblich beeinträchtigt, und es müssen innovative Anpassungen vorgenommen werden, um den Erfolg der Kulturen zu gewährleisten. Auch Strahlung stellt eine Bedrohung dar, der durch wirksame Strahlenschutzmaßnahmen begegnet werden muss, um die Gesundheit der Pflanzen zu schützen. Um den Stand der Technik in der Weltraumlandwirtschaft zu verstehen, haben wir Stefania De Pascale, ordentliche Professorin am Fachbereich Agrarwissenschaften der Universität Neapel Federico II und Leiterin des ESA-Labors für Pflanzenforschung für die Raumfahrt.

Pflanzen spielen eine wichtige Rolle für die Menschheit. Welche Rolle sollte die pflanzliche Nahrungsmittelproduktion bei Weltraumabenteuern spielen?
“Die Rolle der Pflanzen für das Leben des Menschen auf der Erde geht weit über die einfache Produktion von Nahrungsmitteln hinaus und wird für das Überleben des Menschen im Weltraum ebenso wichtig sein. Die von den Forschern vorgeschlagene Lösung besteht darin, im Weltraum ein künstliches Ökosystem zu schaffen, das als bioregeneratives Lebenserhaltungssystem (Bioregenerative Life Support System, BLSS) bezeichnet wird und in dem verschiedene biologische Organismen miteinander interagieren, so wie es auch in terrestrischen Ökosystemen der Fall ist. Es geht darum, ein Ökosystem zu schaffen, das auf den Interaktionen zwischen produzierenden Organismen (Algen, Grünpflanzen und anderen photosynthetischen Organismen), zersetzenden Organismen (Bakterien, Pilze und Detritusfresser wie Würmer und Insektenlarven) und Konsumenten (die menschliche Besatzung) interagieren, die in entsprechenden Abteilen untergebracht sind, in denen jeder die Abfallprodukte des anderen als Ressource nutzt, in einem idealen geschlossenen Kreislauf.”

Was ist das Konsortium “Melissa”?
“Seit 2013 ist die Agrarwissenschaftliche Fakultät der Universität Federico II in Neapel offizieller Partner des Konsortiums Melissa (Micro-Ecological Life Support System Alternative), dem Programm der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), das seit 1987 Lebenserhaltungssysteme mit geschlossenem Kreislauf unter ökosystemaren Gesichtspunkten untersucht. Seitdem beteiligen wir uns aktiv an Projekten im Zusammenhang mit dem Bereich des Pflanzenanbaus für ein BLSS im Rahmen dieses ehrgeizigen Programms. Am 19. November 2019 haben wir in unserer Fakultät das Laboratory of Crop Research for Space eingeweiht, das erste Labor in Europa, das sich dem Pflanzenanbau für regenerative Lebenserhaltungssysteme im Weltraum widmet und aus der Zusammenarbeit mit der ESA und der italienischen Weltraumagentur entstanden ist.”.

Inwiefern unterscheiden sich Pflanzen, die unter Mikrogravitationsbedingungen gezüchtet werden, von denen, die auf der Erde gezüchtet werden?
“Die Schwerkraft spielt durch den sogenannten Gravitationstropismus eine entscheidende Rolle bei der Ausrichtung des Pflanzenwachstums. Im Weltraum, wo keine Schwerkraftreize vorhanden sind, zeigen Pflanzen zufällige Wachstumsmuster oder reagieren auf andere Reize (z. B. wachsen die Wurzeln zum Wasser und die Blätter zum Licht hin). Die Mikrogravitation beeinflusst Pflanzen auch indirekt, indem sie die Verfügbarkeit von Ressourcen und die Effizienz der Systeme, die ihr Wachstum unterstützen, verändert, beispielsweise durch die Wechselwirkung zwischen Schwerkraft und Strömungsdynamik. In der Mikrogravitationsumgebung der Internationalen Raumstation (ISS) verhält sich Wasser nicht wie auf der Erde, d. h. es bleibt nicht am Boden eines Behälters und kann nicht ausgegossen werden, und wenn es versprüht wird, bildet es Tröpfchen, die zusammenstoßen und sich zu immer größeren Tropfen verbinden, die in der Luft schweben bleiben.

Gibt es neben der Bewässerung noch weitere Probleme?
“Es ist wichtig, Pflanzen mit den notwendigen Nährstoffen zu versorgen. Systeme zur kontrollierten Nährstofffreisetzung können in das Substrat integriert werden, um eine konstante Nährstoffversorgung zu gewährleisten. Experimente auf der ISS und anderen Weltraummissionen haben die Machbarkeit des Pflanzenanbaus bewiesen und wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse über die Reaktion der Pflanzen und die Optimierung von Anbausystemen wie Kapillarsubstraten und Bewässerungs- und Ernährungstechniken für die Mikrogravitation geliefert. Blattgemüse (Salate) hat sich als gut an die Bedingungen der Mikrogravitation anpassungsfähig erwiesen und wird an Bord der ISS erfolgreich in sogenannten Salatmaschinen angebaut. Es ist sehr nützlich, um frische Zutaten für die Ernährung der Astronauten zur Verfügung zu haben. Aber auch Getreide, Tomaten, Rüben, Radieschen und zahlreiche andere Pflanzen für Nahrungszwecke werden bereits im Weltraum angebaut. Ein kleiner Bissen für den Menschen, ein großer Sprung für die Menschheit: Mit diesen Worten kommentierte die NASA die erste offizielle Verkostung von Römersalat im Weltraum, der in Veggie, einer der NASA-Einrichtungen an Bord der ISS, angebaut und 2015 von den Astronauten aus lokaler Produktion verzehrt wurde. Aber das war wirklich nur eine Kostprobe. Das Projekt Microgreens x Microgravity zur Produktion von Mikrogrün (Microgreens) im Weltraum, das vom Ministerium für Universität und Forschung finanziert und von der ASI koordiniert wird und für das ich wissenschaftlich verantwortlich bin, hat zum Ziel, die wissenschaftlichen Anforderungen an eine Flugvorrichtung für die Produktion von frischem Mikrogrün zu definieren, das an Bord der ISS geerntet und verzehrt werden soll. Microgreens sind junge Sämlinge verschiedener Gemüse-, Kraut- oder Kräuterarten, die bereits ein bis zwei Wochen nach der Aussaat geerntet werden, wenn sich die ersten echten Blätter zu entwickeln beginnen. Sie sind klein und zart, enthalten aber eine hohe Konzentration an Phytonährstoffen, Vitaminen, Antioxidantien und Mineralien. Dieser Nährstoffreichtum unterscheidet sie sowohl von Sprossen als auch von reifen Gemüsesorten derselben Art. Die Wachstumsvorrichtung befindet sich derzeit dank einer neuen Finanzierung durch die italienische Weltraumagentur ASI in der industriellen Planungsphase, die von Thales Alenia Space Italia koordiniert wird. Diese Vorrichtung wird es ermöglichen, an Bord der ISS eine ausreichende Menge an Mikrogemüse zu produzieren, um die Astronauten mit der empfohlenen Tagesdosis an Vitamin C zu versorgen, einem starken Antioxidans, das jedoch leider instabil und daher für den Transport auf langen Weltraumflügen ungeeignet ist.

Welche Pflanzen eignen sich ideal für diesen Raum?
“Die Auswahl der im Weltraum anzubauenden Pflanzen basiert auf verschiedenen Schlüsselfaktoren, darunter die hohe Effizienz der Ressourcenregeneration, der hohe Nährwert, der schnelle Wachstumszyklus, die einfache Kultivierung in einer kontrollierten Umgebung und die Toleranz gegenüber Umweltbelastungen. Die Auswahl hängt jedoch auch vom Missionsszenario ab. An Bord von Raumstationen wie der ISS hängen die technischen Einschränkungen von der begrenzten Verfügbarkeit von Volumen und Energie sowie von der Zeit der Besatzung ab. In diesen Umgebungen werden Pflanzen bevorzugt, die sich durch einen kurzen Zyklus, geringe Größe, Toleranz gegenüber dem Anbau in geringen Mengen unter Mikrogravitation und hohe Produktivität auszeichnen, wobei unter Produktivität auch der Ertrag verstanden wird, d. h. das Verhältnis zwischen dem essbaren Anteil und der Gesamtbiomasse der Pflanzen.

Und bei Langzeitmissionen und für zukünftige Weltraumkolonien?
Um den Ernährungsbedürfnissen der Besatzung gerecht zu werden, werden vorzugsweise Pflanzen angebaut, die energiereiche, kohlenhydrat- und proteinreiche Lebensmittel liefern (wie Weich- und Hartweizen, Reis, Kartoffeln, Soja), sowie Pflanzen für den Frischverzehr (Tomaten, Salat). Wir dürfen keine Pflanzen wie die aus Frank Oz” „Der kleine Horrorladen“ erwarten, sondern dieselben Kulturen, die auch die Grundlage unserer Ernährung auf der Erde bilden. Die Auswahl der Kulturen für den Anbau im Weltraum hängt auch von der Fähigkeit ab, den Lebenszyklus der Pflanzen, angefangen bei der Bestäubung, in einer geschlossenen und kontrollierten Umgebung effektiv zu steuern.

Ist es möglich, den Boden des Mondes oder des Mars für den Anbau von Pflanzen geeignet zu machen?
“Dieses Vorhaben ist eine der spannendsten Herausforderungen für die langfristige Erforschung des Mondes und des Mars. Der Boden dieser Himmelskörper, der Regolith, wirft verschiedene Probleme auf, darunter das Vorhandensein von für Pflanzen potenziell giftigen Verbindungen, das Fehlen organischer Stoffe und der Mangel an für das Pflanzenwachstum notwendigen Nährstoffen. Es werden jedoch verschiedene Ansätze untersucht, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Um das Pflanzenwachstum zu unterstützen, muss der Boden auf dem Mars und dem Mond einer gründlichen Korrektur unterzogen werden, indem organische Substanzen aus der Verarbeitung von Anbauabfällen und Missionsabfällen (Lebensmittelabfälle, Fäkalien, Urin) sowie mikrobielle und nicht-mikrobielle Korrekturmittel und Biostimulanzien hinzugefügt werden, um das Pflanzenwachstum zu ermöglichen.

Kann die Erforschung des Pflanzenanbaus im Weltraum zu Systemen führen, die auch auf der Erde eingesetzt werden können?
“Die Weltraumlandwirtschaft ist ein sich ständig weiterentwickelnder Bereich, der die Weltraumforschung revolutionieren und positive Auswirkungen auf die Erde haben wird. Durch die Entwicklung nachhaltiger und widerstandsfähiger Anbausysteme im Weltraum können wir lernen, die Ressourcen unseres Planeten besser zu verwalten und die Ernährungssicherheit für zukünftige Generationen zu gewährleisten, um so zur Bewältigung der großen Herausforderung der Landwirtschaft beizutragen, eine ständig wachsende Bevölkerung zu ernähren. Das erworbene Wissen und die entwickelten Technologien für den Anbau von Pflanzen im Weltraum werden es ermöglichen, in extremen Gebieten der Erde, von den Polen über Wüsten bis hin zum Herzen moderner Megastädte, anzubauen und so mehr Platz für Pflanzen auf der Erde zu gewinnen. Mein Motto spiegelt dieses Ideal wider: Mehr Pflanzen im Weltraum. Mehr Platz für Pflanzen auf der Erde.