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Im Jahr 2011 startete das DLR Institut für Raumfahrtsysteme seine Forschungsinitiative EDEN (Evolution & Design of Environmentallyclosed Nutrion-Sources). Diese beschäftigt sich mit bioregenerativen Lebenserhaltungsssystemen (BLSS), insbesondere mit Gewächshaus-Modulen und wie diese in Zukunft in Weltraum-Habitaten integriert werden können.

EDEN wurde innerhalb des DLR-internen Projektes C.R.O.P. (Combined Regenerative Organic-Food Production) ins Leben gerufen – ein gemeinsames Forschungsvorhaben zwischen dem Institut für Raumfahrtmedizin (ME) und dem Institut für Raumfahrtsysteme (RY).

Das Ziel des EDEN-Teams ist das Vorantreiben des Fortschritts der neuesten Anbautechnologien und der Anpassung dieser Entwicklungen für die Anwendung im Weltraum. Obwohl  die vorliegenden Szenarien für zukünftige bemannte Missionen zum Mond oder zum Mars noch einige Jahre von einer möglichen Realisierung entfernt sind, muss schon heutzutage mit der Entwicklung dieser Technologien begonnen werden. Nur auf diesem Weg können zukünftig hochzuverlässige und ressourceneffiziente BLSS in die Missionsarchitektur für bemannte Reisen zum Mond oder Mars integriert werden.

Verwaltet wird die EDEN-Initiative von der Abteilung Systemanalyse Raumsegment (SRS) des DLR Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen. Sie betreibt sowohl die Concurrent Engineering Facility (CEF) des Instituts als auch das Space Habitation Plant Laboratory (EDEN Lab). Des Weiteren wird die EDEN-Gruppe/das EDEN-Team vom Elektroniklabor unterstützt und nutzt das institutseigene Laborgebäude (Integrationshalle), um die neusten Technologie-Entwicklungen für den Anbau von Pflanzen zu unterstützen.

Forschungsbereiche & -schwerpunkte

Controlled Environment Agriculture (CEA) ist die Verbindung von Ingenieurskunst mit Gartenbauwissenschaften und Informationstechnologien um hocheffiziente Pflanzenanbausysteme zu entwerfen. Durch die Anwendung von CEA-Technologien sollte es möglich sein, mit einer sorgfältigen Regulierung der Wasser- und Nährstoffzufuhr (z.B.  H₂O, pH, EC, oder auch erdloser Anbau), der Regulierung der Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur, RH, CO₂, O₂) und der gezielten Beleuchtung mit Licht verschiedener Wellenlängen/Farben (z.B. rot, blau, UV) höhere Erträge und kürzere Wachstumszyklen der Pflanzen zu erreichen, als jemals zuvor. Sogar die exakte Kontrolle der Nahrungsqualität, wie beispielsweise dem Aussehen, dem Geschmack oder der Anreicherung mit wertvollen Inhaltsstoffen ist durch CEA möglich.

Seitdem alle Wachstumsparameter des natürlichen Systems entkoppelt wurden, kann, anders als beim herkömmlichen Feldanbau, die Pflanzenwachstumsdichte gesteigert werden (innovative

Gewächshäuser).

Ausgehend von diesen Aspekten, wird sich die Forschungsinitiative hauptsächlich auf planetare Szenarien konzentrieren, in denen die geplanten Treibhaus-Module in die allgemeine Infrastruktur planetarer Lebensräume integriert werden. Die notwendigen Ressourcen, wie beispielsweise Energie, Möglichkeiten der Wärmeabfuhr, Wasser und Nährstoffe sollen von der äußeren Infrastruktur (Außenposten-Infrastruktur) bereitgestellt werden.

Für Szenarien, bei denen Astronauten sich für einige Tage (Mond-Transfer) bis zu einem Zeitraum von 6-8 Monaten (Mars-Transfer) in einer Mikrogravitationsumgebung aufhalten, wird die Versorgung typischerweise mit dehydrierter Nahrung sichergestellt. Obwohl es möglich machbar ist, ist Pflanzenwachstum in einer Umgebung mit Mikrogravitation eine große Herausforderung Mögliche Einsätze, wie beispielsweise auf der ISS, werden daher nur als Validations-Kampagnen betrachtet – das Ziel ist der Einsatz auf der Oberfläche.

Hinsichtlich der Liste an Erzeugnissen wird sich die EDEN-Initiative auf Pflanzen und Früchte mit hohem Wassergehalt konzentrieren. Bei diesen handelt es sich hauptsächlich um Tomaten, Gurken, Radieschen, Paprika, Karotten, Kopfsalat, Erdbeeren und Zwergbäumen für die Bereitstellung von Äpfeln, Kirschen und Pflaumen. Diese Erzeugnisse haben normalerweise nur eine kurze Haltbarkeit von mehreren Wochen, was eine in-situ-Produktion notwendig macht. Stärke- und Getreidepflanzen, wie z.B. Kartoffeln, Weizen und Reis, genau wie ölhaltige Pflanzen wie Sojabohnen oder Erdnüsse stehen dabei nicht im Fokus der EDEN-Forschung. Produkte, die aus diesen Pflanzen hergestellt werden, haben gewöhnlich eine sehr lange Haltbarkeit, eine hohe Packungsdichte und sind leicht zu verarbeiten.

In diesem Rahmen wird die EDEN-Initiative ihre Forschungstätigkeiten vorrangig auf die Integration von CEA-Technologien und den eigentlichen Produktionsprozess der Pflanzen konzentrieren, als auf den Entwurf von wissenschaftlichen Pflanzenwachstumskammern. Die EDEN-Gruppe ist der Überzeugung, dass es die technologischen Fortschritte der letzten Jahre möglich gemacht haben, umfangreichere CEA-Anbau-Elemente zu entwickeln und einzusetzen, um letztendlich mehr über den eigentlichen Produktionsprozess mit höheren Ertragszahlen zu lernen (Grundsätze der Semi-Massenproduktion).

Alle notwendigen inhärenten Änderungen der Technologie, des Anbaus, im Umgang und der Funktionsweise sollen von der Initiative erforscht werden. Hierbei stehen eher die Änderungen bezüglich des Pflanzenanbaus im Vordergrund als das biologische Verständnis des Pflanzensystems, welches vielmehr Gegenstand der Pflanzenbiologie sein sollte.

Wie in Abbildung 5 dargestellt, konzentriert sich die Forschung bei der EDEN-Initiative auf sechs Bereiche. Grundlage ist die Analyse des Gesamtsystems von Gewächshaus-Modulen als integraler Bestandteil für Habitate und planetare Außenposten. Weiterhin werden die vier grundlegenden CEA-Technologien, die für den Pflanzenanbau notwendig sind, untersucht und verbessert. Die Ergebnisse der einzelnen Bereiche werden mit innovativen Anbauprozessen kombiniert, wodurch ein allgemeiner Ansatz für die Produktion von Pflanzen in geschlossenen Systemen entsteht.

Figure 1: The six research domains of the EDEN Initiative.

Overall EDEN strategy:

Die Bewertung und der Entwurf von Pflanzenwachstumssystemen für die Integration in planetare Lebensräume (Mond, Mars), in denen diese in enger Verknüpfung mit den physikalischen und chemischen Lebenserhaltungssystemen arbeiten. Die benötigten Technologien für Controlled Environment Agriculture technologies (CEA) und Prozeduren für den Betrieb sollen im EDEN-Labor entwickelt und getestet werden. Das oberste Ziel ist es, hochzuverlässige Pflanzenanbausysteme mit einer maximalen Biomasse-Produktion von sehr wasserhaltigen Pflanzen zu entwickeln, welche in ressourceneffizienter Weise (Leistung, Wasser, Nährstoffe) und mit hohen Pflanzendichten produziert werden soll.

Sonstiges:

Zur Erstellung unserer Graphiken wird Think-Cell benutzt.

„Zur Erstellung komplexer Diagramme, wie z.B. Linien-, Balken-, Wasserfall-, Mekko- und Gantt-Diagramme, nutzt das Institut für betriebswirtschaftliches Management im FB 12 der Universität Münster das Microsoft Office Add-In think-cell. Automatische Aktualisierungen zwischen Microsoft Excel und Microsoft Powerpoint wird standardisiert in der Anwendung angeboten. Die automatische Erstellung, Verwaltung und Pflege von Agenda und Inhaltsverzeichnis sind selbstverständlich ebenso möglich. Besuchen Sie die think-cell Website für weitere Informationen. Aktuell sucht think-cell kreative und fähige C++ Entwickler. Bei Interesse kontaktieren Sie bitte hr(at)think-cell.com.“