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 Neymayer 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 Drittelfrisch 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.
Neuigkeiten zum Projekt gibt es auch über die EDEN-ISS-Kanäle auf Facebook und Instagram, sowie über den Hashtag #MadeInAntarctica auf Twitter. Gesammelte Informationen zum Projekt finden sich auf der EDEN-ISS-Sonderseite.
Live-Bilder aus dem Antarktis-Gewächshaus auf der EDEN-ISS-Projektwebsite.
Animation Weltraumkonzept auf Youtube.
Projektfilm EDEN ISS auf Youtube.
