EDEN ISS

Der Langzeitaufenthalt von Menschen im Weltraum erfordert die Entwicklung neuer Technologien und Prozesse zur Aufrechterhaltung der optimalen Umgebungsbedingungen, zur Handhabung von Abfällen, zur Bereitstellung von Wasser, Sauerstoff und Lebensmitteln und zur Erhaltung der Gesundheit und des psychologischen Wohlbefindens der Astronauten. Bioregenerative Lebenserhaltungssysteme (BLSS), insbesondere der Anbau höherer Pflanzen, sind in dieser Hinsicht vorteilhaft, weil sie für die Lebensmittelproduktion, Kohlendioxidsenkung, Sauerstoffproduktion, Wasserwiederaufbereitung und für das Abfallmanagement eingesetzt werden können. Außerdem sind frisch geerntete Produkte nicht nur für die körperliche Gesundheit nützlich, sondern sie wirken sich auch positiv auf das psychologische Wohlbefinden der Besatzung aus.

Das Projekt EDEN ISS war ein 4,5 Mio. €-Projekt der Europäischen Union Horizont 2020 (Referenznummer: 636501), das über das Teilprogramm COMPET-07-2014 - Weltraumforschung - Lebenserhaltung unterstützt wurde. Es hatte seinen offiziellen Startschuss im März 2015 und endete im April 2019 nach Abschluss einer einjährigen antarktischen Errichtungsphase, in der das EDEN ISS-Gewächshaussystem in der Nähe der Neumayer-Station III in der Antarktis installiert und betrieben wurde. Das EDEN ISS-Konsortium setzte sich aus führenden europäischen Experten auf dem Gebiet der bemannten Raumfahrt und der Landwirtschaft in kontrollierter Umgebung (CEA) sowie Partnern aus Kanada und den USA zusammen. Der wissenschaftliche Beirat von EDEN ISS setzte sich aus den renommiertesten Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Weltraum-Gewächshäuser aus Russland, den USA, Japan, Italien und Deutschland zusammen.

Abbildung 1: Partner des Konsortiums des EDEN-ISS-Projekts

Ziele

Aufgrund der Notwendigkeit Schlüsseltechnologien für Gewächshäuser im Weltraum unter den der Mission entsprechenden Bedingungen und mit den vorherrschenden Massenströmen zu prüfen, hatte das Konsortium des EDEN ISS-Projekts folgende sechs Ziele festgelegt:

1. Herstellung einer weltraumanalogen mobilen Testanlage (MTF)
2. Einbau und Test eines Pflanzenanzuchtsystems in einem ISPR-Forschungsmodul für zukünftige Tests an Bord der ISS und eines FEG-Gewächshauses für planetare Anwendungen
3. Anpassung, Integration, Feinabstimmung und Demonstration von Schlüsseltechnologien
4. Entwicklung und Demonstration von Betriebsmethoden und -prozessen für den Anbau höherer Pflanzen, um sichere und qualitativ hochwertige Lebensmittel zu produzieren
5. Untersuchung von mikrobiellem Verhalten und Gegenmaßnahmen innerhalb der Pflanzenanzuchtkammern
6. Aktive Weiterentwicklung des Wissens in Bezug auf bemannte Raumfahrt und Überführung von Forschungsergebnissen in terrestrische Anwendungen

Zusammenfassung des Designs

Das EDEN ISS-Gewächshaus, auch Mobile Test Facility (MTF) genannt, wurde konzipiert, um die Besatzung, die in der Neumayer-Station III in der Antarktis überwintert, mit frischen Lebensmitteln zu versorgen und gleichzeitig die Eignung von Schlüsseltechnologien für den Pflanzenanbau bei Weltraummissionen voranzubringen. Mit Hilfe des Gewächshauses wurden und werden außerdem operative Verfahren entwickelt und wissenschaftliche Ziele im Zusammenhang mit der Pflanzenproduktion an entlegenen Orten untersucht. Das Gewächshaus besteht aus zwei etwa 6 Meter langen quaderförmigen Containern, die auf eine externe Plattform ca. 400 m südlich der Neumayer-Station III aufgestellt wurden.

Das Analogtest-Labor vor Ort kann in drei getrennte Bereiche gegliedert werden:

• Luftschleuse: ein kleiner Raum, der Abstellfläche bietet, und einen kleinen Luftpuffer, um das Eindringen kalter Luft bei Öffnung des Hauptzugangs zur Anlage zu beschränken
• Service-Bereich: beherbergt Systeme für Steuerung des Gewächshauses, Luftmanagement, Wärmemanagement, Nährstoffversorgungssystem für das Gewächshaus sowie ein vollständiges internationales Standard-Nutzlast-Rack (ISPR) zur Demonstration von Pflanzenanzucht auf der Internationalen Raumstation (ISS)
• Gewächshaus „Future Exploration Greenhouse“ (FEG): die Pflanzenanbaufläche des MTFs, darunter Pflanzenanzuchtsregale mit mehreren Ebenen, die in einer genau kontrollierten Umgebung betrieben werden

Projektstatus

Während der ersten Überwinterungsperiode im Jahr 2018, mit einem DLR-Kollegen vor Ort, testete das EDEN ISS-Konsortium wesentliche CEA-Technologien unter Verwendung eines internationalen Standard-Nutzlast-Rack (ISPR)-Pflanzenanbausystems für potenzielle Tests an Bord der ISS. Darüber hinaus wurden im FEG Technologien für bioregenerative Lebenserhaltungssysteme (BLSS) für Planetenoberflächen (Mond, Mars) untersucht. Zusätzlich zur Technologieentwicklung und -validierung wurden in der Antarktis Verfahren zur Lebensmittelsicherheit und zum Umgang mit Pflanzen entwickelt und getestet. Diese stellen integrale Aspekte der Interaktion zwischen der Besatzung und den Anlagen in geschlossenen Umgebungen dar. 2018 wurden in neun Monaten hierbei 268 kg essbare Biomasse produziert.

Im Januar und Februar 2019 reisten vier Projektmitglieder des DLR zusammen mit zwei Partnern der Universität Florida in die Antarktis, um an der Gewächshausanlage Reparaturen und Verbesserungen vorzunehmen. Nach dieser Reparatur- und Wartungsmission wurde die Anlage in einen Ruhemodus mit nur minimaler Funktionalität versetzt. Dies geschah, um der EDEN-Forschungsgruppe die Möglichkeit zu geben, die Abläufe in Zusammenhang mit einem ferngesteuerten, automatisierten Start der Anlage zu testen und mögliche nachteilige Auswirkungen eines solchen reduzierten Betriebsmodus zu beobachten. Diese Informationen können für künftige Gewächshäuser auf planetaren Oberflächen von Nutzen sein, die möglicherweise für einige Zeit bis zur geplanten Ankunft der Astronauten stillstehen. Im Mai 2019 wurde dann die zweite Betriebsphase des Gewächshauses durch die EDEN-Gruppe eingeleitet, wobei die Arbeiten vor Ort von der Winterbesatzung der Neumayer-Station III durchgeführt wurden. In den folgenden Monaten, bis Ende November 2019, produzierte das MTF rund 106 kg essbare Biomasse, die der Winterbesatzung zur Verfügung stand.

Obwohl das Projekt offiziell im April 2019 endete, haben das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das Alfred-Wegener-Institut (AWI) vereinbart, den Betrieb der EDEN ISS-Forschungsanlage an der Neumayer-Station III bis 2020 und darüber hinaus fortzusetzen.

Momentan läuft die dritte Betriebsphase des Gewächshauscontainers in Zusammenarbeit mit der Winterbesatzung der Neumayer-Station III in der Antarktis. Erste Ergebnisse werden Ende des Jahres 2020 erwartet.

Das EDEN ISS-Gewächshaus wird weiter in der Antarktis betrieben werden, um wichtige Erkenntnisse im Betrieb eines CEA-Moduls zu sammeln. Experimente in Zusammenarbeit mit der NASA für 2020-2023 sind bereits in der konkreten Planung. Darüber hinaus sollen Teilaspekte der Anlage weiterentwickelt werden. Dies beinhaltet Entwicklungen des Nährstoffversorgungssystems, Verbesserungen der Energieeffizienz und die Implementierung von robotischen Systemen sowie die Charakterisierung der mikrobiologischen Fauna im Gewächshaus (durchgeführt von DLR-ME in Köln). Die Erkenntnisse dieser Analog-Missionen fließen dann in weiterführende Projekte ein.