DLR-Projekt Eden ISS: Das Paradies ist ein Container
Eden steht an der Tür. Doch das Ambiente ist wenig paradiesisch: eine Stahltür in einem Parkhaus. Hinter der Tür liegt ein Laborraum. Rechts ein Schreibtisch, links eine Arbeitsplattform, an der Wand gegenüber mehrere Bildschirme. Daneben eine durchsichtige Wand, die den Raum in zwei Hälften teilt. Hinter der Scheibe sind weitere technische Geräte und einige schwarze Schränke zu sehen.
Und doch proben hier Paul Zabel und seine Kollegen vom Institut für Raumfahrtsysteme(öffnet im neuen Fenster) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt(öffnet im neuen Fenster) die Kolonialisierung fremder Welten. Sie wollen erreichen, dass Raumfahrer sowie die künftigen Bewohner von Mars und Mond sich mit frischem Gemüse und Obst versorgen und dabei zugleich einige ihrer Hinterlassenschaften verwerten können. Auf der Erde, in der geschützten Umgebung eines Labors, funktioniert das gut. Doch wie sieht das unter härteren Bedingungen aus? In diesem Jahr werden die DLR-Forscher ihre Gewächshäuser zwei Härtetests unterziehen:
Wer nach Eden will, muss sich anziehen
Eden heißt das Projekt, an dem Zabel mitarbeitet - eine Abkürzung für Evolution and Design of Environmentally-closed Nutrition-Sources(öffnet im neuen Fenster) - und das hat mit dem Garten aus der biblischen Überlieferung wenig zu tun. Wir betreten ihn auch nicht wie Adam und Eva nackt, sondern schlüpfen in Kittel aus Zellstoff, ziehen uns Plastiküberzüge über die Schuhe und setzen eine Zellstoffmütze auf. So ausstaffiert hätte uns jeder Erzengel liebend gern mit seinem Flammenschwert aus dem alten Eden vertrieben. In das neue dürfen wir nur so hinein.
Der Garten verbirgt sich hinter schwarzen Stoffbahnen, die Zabel jetzt öffnet. Tomatenpflanzen kommen zum Vorschein, Gurken und Paprika. Groß sind die Pflanzen, mit vielen Blättern und sie hängen voll mit Früchten in verschiedenen Reifegraden.
Pflanzen wachsen ohne Erde
"Wir untersuchen hier bioregenerative Lebenserhaltungssysteme für die Raumfahrt. Sprich: Wir wollen mit Pflanzen Astronauten am Leben erhalten" , sagt Zabel im Gespräch mit Golem.de. Das sind Gewächshäuser, in denen Pflanzen ohne Erde und Sonnenlicht angebaut werden, die es also ermöglichen, Nutzpflanzen auch in der lebensfeindlichen Umgebung des Weltraums anzubauen.
Das ist im Prinzip nichts Neues. Seit gut 40 Jahren experimentieren die Raumfahrtnationen damit. Aber: "Viele der Experimente hatten eher einen biologischen Hintergrund" , sagt Zabel. "Wir untersuchen die Produktion von Lebensmitteln - das ist nochmal etwas anderes, als einfach nur zu wissen, wie die Pflanze wächst."
Wie reagieren Pflanzen auf veränderte Schwerkraft?
Eden ist nur eines von zwei DLR-Programmen, um das Pflanzenwachstum außerhalb der Erde zu testen. Im zweiten - Euglena Combined Regenerative Organic Food Production in Space(öffnet im neuen Fenster) (Eu-Cropis) - wollen die Forscher herausfinden, ob Pflanzen nicht nur ohne natürliches Licht und Erde, sondern auch mit einer anderen Schwerkraft als der irdischen klarkommen.
Damit im Weltraum später nichts schiefgeht, wird das alles schon einmal intensiv auf der Erde getestet - in dem Bremer Labor neben dem Parkhaus, in der Antarktis und in der Erdumlaufbahn. Was für die Teammitglieder nicht immer einfach ist.
Der Garten hinter der Tiefgarage
Der tägliche Umgang mit den Pflanzen erfordert einige Sorgfalt. Das Problem: Die Mitarbeiter des Teams sind alle keine Biologen, sondern Ingenieure. "Bevor wir die an unsere Experimente lassen, müssen die ein paar Grundlagen im Umgang mit Pflanzen lernen" , sagt Zabel. Etwa, wo sie aufpassen müssen, damit sie nicht einen Trieb abbrechen und so mal eben die Arbeit von Monaten kaputt machen. Zabel selbst war beim Projektpartner, der Universität in Wageningen in den Niederlanden, und hat dort alles Wissenswerte über die Nutzpflanzen gelernt.
Die Pflanzen werden in 40 x 60 cm große Boxen gesetzt. Ihre Wurzeln liegen frei in einer Wanne darunter. Von Erde keine Spur. Alle zehn Minuten springt eine Pumpe an und besprüht die Wurzeln eine Minute lange mit Wasser und einer Nährstofflösung. Aeroponik(öffnet im neuen Fenster) wird diese Form des Anbaus genannt. Für das nötige Licht sorgen Leuchtdioden (LED), die Licht in vier verschiedenen Wellenlängen ausstrahlen: blau, weiß, rot sowie fernrot, was den Rotanteilen bei Dämmerung entspricht. Die Wellenlängen können unabhängig voneinander geregelt werden, um die Beleuchtung für jede Pflanze und für jedes Wachstumsstadium anpassen zu können.
Im Gewächshaus gibt es Tag, Nacht und Dämmerung
Rund 16 Stunden lang ist es taghell in den Gewächscontainern, hinzu kommen zwei Dämmerungsphasen von je einer halben Stunde. Die restlichen sieben Stunden ist es dunkel. Die meisten Pflanzen brauchen eine solche Ruhephase: In der Zeit transportieren sie per Photosynthese produzierten Zucker in die Früchte. Es gibt aber auch Pflanzen, darunter Salat, die ohne Nachtruhe auskommen.
Allerdings ist die Dauer nicht unbedingt das Maß: "Wichtig ist, dass die Gesamtenergiemenge über den Tag ein gewisses Niveau erreicht" , erläutert Zabel. "Ob ich das dann in 12 Stunden Beleuchtung mache oder in 16 Stunden Beleuchtung, das ist dann nicht so wichtig."
Die Tomaten sind bald reif
Drei Monate alt seien die Tomatenpflanzen, berichtet Zabel. Sie sind gut einen halben Meter groß, ihre Rispen hängen voll mit Früchten. Sie sind noch grün, aber Zabel erwartet, dass er die ersten in etwa zwei Wochen ernten kann. Die Gurken im Container nebenan sind schon reif. Zabel schneidet eine herunter.
Die Qualität der Ernte sei hoch, sagt Zabel. Da die Bremer keine Herbizide und Pestizide verwenden, ist das Gemüse frei von jeder Belastung durch Schadstoffe. Der Geschmack, so Zabel, sei mit dem von hochwertigem, gekauftem Gemüse vergleichbar - obwohl ihm das selbst angebaute natürlich besser schmecke.
Zur Auswahl stehen Salat, Gemüse, Kräuter
Mit 15 verschiedenen Pflanzen haben die DLR-Forscher schon experimentiert: Neben den langsam wachsenden Tomaten, Gurken und Paprika sind das drei verschiedene Salatsorten - zwei grüne und eine rote -, sechs verschiedene Kräuter, darunter Petersilie und Schnittlauch, Spinat und Radieschen. Deren Anbau in Gewächshäusern sei seit langem bekannt und deshalb bereiteten sie keine Schwierigkeiten.
Weniger problemlos hingegen ist Kandidat Nummer 15: die Erdbeere. Die Pflanze sei anspruchsvoll, brauche beispielsweise eine Kälteperiode nach der Aussaat, bevor die ersten Blüten kommen. "Das macht es schwieriger" , sagt Zabel. Aber die süße Frucht sei auch eine willkommene Abwechslung zum Gemüse; nicht nur, weil Erdbeeren vielen gut schmeckten und dazu noch Vitamine lieferten, sondern auch, "weil es eine Möglichkeit ist, Obst anzubauen, ohne dass man große Sträucher oder Bäume braucht."
Die Früchte werden getrocknet
Viel essen kann Zabel von seiner Ernte aber nicht: Tomaten, Gurken und Salate dienen der Wissenschaft. Jede einzelne Frucht wird vermessen, gewogen und dann in einem Ofen getrocknet. Viel bleibt dann nicht mehr: Zabel zeigt uns die verschrumpelten Überbleibsel einer Tomate und die traurigen Reste von mehreren Salatköpfen. Sie haben nur noch etwa elf Prozent ihres ursprünglichen Gewichts. "Wir wollen ja wissen, wie viel Biomasse wir produziert haben, nicht wie viel Wasser" , sagt er.
Für die Biomasse interessiert sich auch die Crew der deutschen Forschungsstation Neumayer III(öffnet im neuen Fenster) in der Antarktis. Allerdings ist deren Interesse nicht unbedingt wissenschaftlicher Natur.
Das DRL testet in der Antarktis
Ende des Jahres packt Zabel sein Gewächshaus und macht sich damit auf in den antarktischen Sommer. Ab Dezember wird er ein Jahr lang auf dem Ekström-Schelfeis in der Atka-Bucht verbringen. Ziel ist es zu testen, ob die Systeme den extremen Bedingungen dort gewachsen sind - und gleichzeitig die Besatzung der Station mit frischem Grün versorgen können.
Das Gewächshaus wird in zwei 20-Fuß-Standard-Containern untergebracht. Es wird für den Transport auseinandergenommen und vor Ort wieder zusammengesetzt. Der Container dient als Maschinenraum: Dort sind die Systeme untergebracht, die das Luftmanagement, die Temperatur und die Nährstoffversorgung steuern. Im zweiten sind links und rechts auf der ganzen Länge Regale angebracht, auf denen Gemüse, Salat, Kräuter und Obst gedeihen.
Die antarktische Sonne heizt das Gewächshaus
Aber warum gerade die Antarktis? "In der Antarktis gibt es ein schwieriges Klima - deshalb gehen wir dorthin" , sagt Zabel. Schwieriges Klima heißt: Im Sommer ist die Luft fünf Grad warm. Doch bei 24 Stunden Sonnenschein kann sich die Außenwand des Containers auf 30 Grad aufheizen. Im Winter hingegen, der zweiten Hälfte von Zabels Aufenthalt, bleibt es dunkel, und es wird minus 30 Grad und kälter.
Da braucht das Gewächshaus vor allem eine gute - aber nicht zu gute - Isolierung: So darf es im Winter nicht zu sehr auskühlen. Ist die Isolierung jedoch zu gut, wird es im antarktischen Sommer zu warm und Zabel muss zu viel kühlen. "Wir mussten eine Balance finden zwischen Sommer- und Wintertemperaturen" , sagt der Forscher. "Wir haben uns jetzt auf eine Mitteltemperatur eingestellt, wo wir weder kühlen noch heizen müssen." Die liegt bei gemütlichen 25 Grad unter null. Wird es wärmer, wird gekühlt; wenn es kälter wird, wird geheizt.
Der Container hat drei Kühlkreisläufe
Der Kühler sitzt auf dem Dach: Er kühlt eine Flüssigkeit, die dann im Container und auf drei Kühlkreisläufe verteilt wird. Unter anderem werden die LEDs mit Wasser gekühlt. Das ermöglicht es, Wärme aus der Pflanzenkammer abzuführen, ohne die Luft darin zu erwärmen. Außerdem sind die wassergekühlten Leuchteinheiten kleiner als die luftgekühlten, die Zabel in Bremen noch einsetzt. Das wiederum ist praktisch hinsichtlich eines möglichen Weltraumeinsatzes, bei dem es gilt, alles möglichst klein und kompakt zu halten.
Das Gewächshaus wird etwa 400 Meter von der Station entfernt aufgestellt. Damit Zabel, wenn ein Sturm um die Station tobt, nicht hinausgehen muss, um seine Pflanzen zu begutachten, ist das Gewächshaus mit Kameras ausgestattet. Sie beobachten das Grün rund um die Uhr. Ihre Bilder sollen zu Zeitrafferfilmen montiert werden, anhand derer das Wachstum verfolgt werden kann. Außerdem nimmt Zabel zusätzlich noch eine Digitalkamera mit. Damit könne er, wenn ihm an einer Pflanze etwas ungewöhnlich vorkomme, Bilder machen und sie via Kontrollzentrum an Experten schicken, die ihm raten, was er tun solle.
Frisches Gemüse für die Besatzung der Antarktisstation
Läuft alles, wie es soll, kann sich die Besatzung der Station - im Sommer immerhin bis zu 50 Personen, im Winter mit Zabel gerade mal zehn - über Abwechslung beim Essen freuen. Denn anders als in Bremen wird Zabel nur einen kleinen Teil der Ernte für die Forschung zurückhalten. Der überwiegende Rest des Salats, Gemüses, der Kräuter und natürlich der Erdbeeren soll den Speiseplan am Ende der Welt aufpeppen.
Auch wenn Zabel in der Antarktis die Haltbarkeit und die Funktionsfähigkeit der Gewächshäuser testet: So manches lässt sich auf der Erde nur schwer simulieren. Deshalb plant das DLR einen zweiten Test für die Gewächshäuser.
Testdurchlauf im All
Noch bevor Zabel in den Süden aufbricht, wird eine Trägerrakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX den Satelliten Eu-Cropis in die Erdumlaufbahn bringen. Er wird zwei kleine Gewächshäuser an Bord haben, in denen eine sehr kleine Tomatensorte, die Micro-Tina, wachsen soll, die nur 20 bis 25 cm groß wird. Die Pflanzen werden nicht einfach nur mit Wasser berieselt. Hier testen die DLR-Forscher ein wichtiges Recyclingsystem.
Im Weltraum kommt es darauf an, möglichst viele Stoffe wiederzugewinnen, zum Beispiel aus dem Urin der Astronauten. Daraus wollen die Forscher nicht nur, wie das bisher geschieht, das Wasser zurückgewinnen, sondern auch Nährstoffe wie Magnesium, Kalzium oder Stickstoff. Da der Satellit unbemannt ist, hat er künstlichen Urin an Bord.
Mikroorganismen filtern Urin
Den zu bearbeiten, ist Aufgabe von verschiedenen Bakterien und der einzelligen Alge Euglena gracilis(öffnet im neuen Fenster) . Die Mikroorganismen werden in einem Filter angesiedelt, den Zabels Kölner DLR-Kollegen entwickelt haben. Es ist eine Röhre, die mit Lavagestein gefüllt ist - Lava hat sehr viele Poren und entsprechend eine große Oberfläche. Die Röhre wird mit Wasser gefüllt, in dem sich mikrobiologische Kulturen aus Erde befinden. Die Mikroorganismen bilden einen Film auf dem Stein. Der Urin läuft durch den Filter und die Mikroorganismen gewinnen daraus Nährstoffe, die dann die Tomaten düngen.
Urin sei eigentlich nicht als Dünger geeignet, sagt Zabel, weil er zu viel Kochsalz enthalte, das Pflanzen nicht mögen. Deshalb wollten sie den Pflanzen weitere Nähstoffe zuführen. Sie bauten im Bremen zwei Anordnungen auf: eine, in der die Tomaten den aufbereiteten Urin bekommen, und eine zweite, in der die Pflanzen zusätzlich in einer Lösung weitere Nährstoffe bekommen. Damit, so dachten die Forscher, werde der Ertrag besser - und wurden überrascht: Auch die Tomaten, die nur die Urinlösung bekamen, bildeten jede Menge Blüten und Früchte. "Wir haben gedacht, es ist so viel Kochsalz in der Lösung, dass die Pflanzen nicht einmal blühen. Wir sind eines Besseren belehrt worden, dass die Pflanzen doch sehr robust sind."
Eu-Cropis simuliert den Mars und den Mond
Das lässt auch für den zweiten Parameter hoffen, der im Projekt Eu-Cropis untersucht werden soll: Der Satellit rotiert um die eigene Achse und simuliert dadurch die Schwerkraft, und zwar die, die auf dem Mond, danach die, die auf dem Mars herrscht. So wollen die Forscher herausfinden, ob irdische Pflanzen auch auf Himmelskörpern gedeihen, wo in einigen Jahrzehnten Menschen siedeln sollen.
Das ist neu: "Bisher wurden Experimente immer auf der Erde durchgeführt oder auf der Raumstation, also bei 1 g Schwerkraft oder bei Mikrogravitation. Der Bereich dazwischen ist bisher noch nicht erforscht worden" , erzählt Zabel. Von Mikrogravitation lassen sich Pflanzen in ihrem Wachstum kaum beeinflussen. Wie werden sie unter etwas Schwerkraft gedeihen? "Wir hoffen, dass alles ganz normal wächst. Aber das ist schwer zu sagen."
In einigen Monaten werden wir wissen, wie es um die Landwirtschaft auf dem Mond und dem Mars bestellt ist.
Grün macht glücklich
Die Pflanzen sollen die Raumfahrer und Kolonisten in erster Linie mit lebenswichtigen Nährstoffen wie Vitaminen versorgen. Sie können aber auch noch auf andere Arten nützlich sein: Bei Experimenten mit Ratten und Mäusen etwa hat sich gezeigt, dass die Nager unempfindlicher gegen die Auswirkungen von Strahlen waren, wenn sie mit Beerenfrüchten wie etwa Himbeeren gefüttert wurden. Sollte das beim Menschen gelten, wird Zabel wohl nach Möglichkeiten suchen, Sträucher aeroponisch anzubauen.
Zudem nehmen sie Kohlendioxid auf und produzieren Sauerstoff. Und sie seien "für das psychologische Wohlbefinden der Crew wichtig" , sagt Zabel: "Experimente haben gezeigt, dass wenn Menschen sehr lange in Isolation leben, gerade auf einer Raumstation, wo sie von technischen Systemen umgeben sind und wo das eigene Leben an technischen Systemen hängt, dass Astronauten gern mit Pflanzen arbeiten, weil es auch ein Lebewesen ist, das betreut werden muss."
Pflanzen vermitteln Heimatgefühle
So hätten sich etwa die Kosmonauten, die teilweise monatelang und manchmal sogar allein auf der sowjetischen Raumstation Mir gewesen seien, immer über Pflanzenexperimente gefreut. Die Pflanzen vermittelten "so etwas wie Heimatgefühl" , sagt der DLR-Forscher. Sicher ein wichtiger Faktor bei einer Mission zum Mars, die gut zwei Jahre dauern würde.
Auch auf der ISS wird im Rahmen des Veggie-Programms(öffnet im neuen Fenster) der US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics And Space Administration (Nasa) Grünzeug angebaut: 2014 hatte die Nasa ein Minigewächshaus auf die Station geschickt , in dem die Astronauten Salat züchteten.
ISS-Salat war nicht für den Verzehr
Allerdings: Essen durften sie ihn nicht. Die Pflanzen wurden zur Erde zurückgeschickt, wo die US-Raumfahrtbehörde Nasa sie analysiert. Erst im zweiten Anlauf, im August 2015, war es den Astronauten vergönnt, ihre Ernte auch zu genießen . Auf der ISS gibt es aber nicht nur Nutzpflanzen: 2016 blühte die erste Blume im All .
Doch auch das Projekt Eden ISS heißt: Die gegenwärtige Raumstation wird wohl kaum mit einem Gewächshaus ausgestattet, wie es das DLR in der Antarktis testen will. Auf der Station fehlt schlicht der nötige Platz. Für ein Gewächshaus müsste ein neues Modul gebaut werden - was ungefähr zehn Jahre dauern würde. Dann wird es die ISS voraussichtlich nicht mehr geben. "Das wird wahrscheinlich auch nicht mehr passieren" , sagt Zabel. Das Gewächshaus sei eher für "eine Nachfolgestation oder für eine Mission zum Mars" gedacht.
Würde er denn - wie jetzt in die Antarktis - das Gewächshaus auch ein Jahr auf einem ISS-Nachfolger ausprobieren? Zabel lacht. "Ja. Warum nicht? Wenn ich die Astronautenvoraussetzungen erfülle, wäre das machbar."