Rund 300 Meter entfernt von der Neumayer-Station III des Alfred-Wegener-Instituts wird die Anlage des DLR stehen, in der unter anderem Gurken, Salat und Tomaten gezüchtet werden. Mit dem Projekt EDEN ISS erforschen die Ingenieure des DLR, unter welchen Bedingungen Gemüse auf kleinstem Volumen die höchsten Erträge bringt.
Gewächshauskonzept für den Einsatz auf Mond und Mars
Die Wissenschaftler des EDEN-ISS-Projekts haben als Ergebnis ihrer Forschungen 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.
Wie können Menschen mit frischem Gemüse und Obst bei Weltraummissionen versorgt werden, sei es an Bord eines Raumschiffs oder sogar auf dem Mond oder Mars? Das wird im Projekt EDEN ISS erforscht. Hierfür wurde eine mobile Testeinrichtung (Mobile Test Facility, MTF) entwickelt. Diese Anlage wird seit 2018 in der Antarktis getestet, um die Produktion von Nahrung und anderen wichtigen Ressourcen wie Sauerstoff und Wasser in einer lebensfeindlichen Umgebung möglich zu machen. Ziel ist es, die dafür nötigen Schlüsseltechnologien zu testen sowie operative Verfahren zu entwickeln. Ebenso werden wissenschaftliche Fragestellungen in Bezug auf die Pflanzenzucht untersucht. Mit EDEN ISS wird auch die Nahrungsmittelproduktion der Zukunft in klimatisch ungünstigen Gebieten wie Wüsten und arktischen Regionen erforscht.
Im Fokus des Projekts steht die Zucht von Pflanzen, die einen hohen Wassergehalt haben und deshalb nicht lange gelagert werden können, ohne erhebliche Qualitätsverluste zu erleiden. Angebaut werden unter anderem Tomaten, Paprika, Gurken, verschiedene Salatsorten, Radieschen, Spinat, verschiedene Kräuter (Basilikum, Schnittlauch, Petersilie, Minze, Koriander) und Erdbeeren.
Die EDEN-ISS-Gesamtanlage (Mobile Test Facility, MTF) besteht aus zwei etwa sechs Meter langen quaderförmigen Containern, die in drei unterschiedliche Bereiche aufgeteilt sind:
Gewächshaus (Future Exploration Greenhouse, FEG): die Pflanzenanbaufläche des MTFs, darunter Pflanzenanzuchtregale mit mehreren Ebenen, die in einer genau kontrollierten Umgebung betrieben werden.
Servicebereich: beherbergt Systeme für die Steuerung des Gewächshauses, das Luft- und Wärmemanagement, das Nährstoffversorgungssystem sowie einen Arbeitsplatz für die Vor- und Nachbereitung der Ernte.
Luftschleuse: ein kleiner Raum, der Abstellfläche und einen Luftpuffer bietet, um das Eindringen kalter Luft bei Öffnung des Hauptzugangs zur Anlage zu beschränken
Im Rahmen des EDEN-ISS-Projekts werden ein fortschrittliches Nährstoffzufuhrsystem, ein Hochleistungs-LED-Beleuchtungssystem, ein System zur Bioerkennung und Dekontaminierung sowie Verfahren und Technologien zur Lebensmittelqualität und -sicherheit entwickelt.
Das primäre Ziel ist das Erreichen von hochzuverlässigen Pflanzenzuchtsystemen mit maximalem Biomasse-Output von Pflanzen mit hohem Wassergehalt, die ressourceneffizient (Energie, Wasser, Nährstoffe) und mit hohen Pflanzendichten produziert werden.
Pflanzenzucht ohne Erde, mit optimiertem Licht, CO2-Gehalt und geschlossenem Wasserkreislauf
Das Besondere am EDEN-ISS-Gewächshaus ist, dass es ein nahezu komplett geschlossenes System darstellt. Alle Ressourcen, die zur Pflanzenzucht nötigt sind, stammen aus der Anlage selbst – Luft, Nährstoffe, Wasser und Energie.
Durch die gezielte Steuerung der Umweltbedingungen im Gewächshaus kann die Entwicklung der Pflanzen so beeinflusst werden, dass sie einen sehr hohen Nährstoffgehalt aufweisen.
Die Pflanzen im EDEN-ISS-Gewächshaus werden mittels Aeroponik kultiviert. Bei dieser Methode werden die Pflanzen ganz ohne Erde angebaut, ihre Wurzeln hängen in geschlossenen Behältern und werden computergesteuert alle paar Minuten mit einer Nährstofflösung besprüht. Für EDEN ISS wurde eine ganz spezielle Nährstofflösung entwickelt, die exakt auf die Bedürfnisse der Pflanzen abgestimmt ist.
Für ein optimales Pflanzenwachstum ist Licht entscheidend. Pflanzen brauchen es für die Photosynthese, also den Prozess, bei dem sie aus der Lichtenergie und dem Kohlendioxid aus der Atmosphäre Zucker herstellen, den sie für ihr Wachstum und die Erzeugung von Früchten benötigen. Im Gewächshaus muss das Licht gleichmäßig verteilt sein, damit es alle Pflanzen gleich gut erreicht. Das EDEN-ISS-Gewächshaus verwendet ein eigens hierfür entwickeltes LED-System. Es deckt nur das Lichtspektrum ab, das die Pflanzen für die Photosynthese benötigen – hauptsächlich rot und ein wenig blau – und ist dadurch energieeffizient.
Die Temperatur im Gewächshaus EDEN ISS liegt zwischen 20 und 25 Grad Celsius. Diese Temperatur ist ideal, um die physiologischen Prozesse der Pflanze wie Photosynthese, Wassertransport und Verdunstung bestmöglich zu unterstützen. Die Wärme in solch einem geschlossenen System wird hauptsächlich von der Lichtquelle erzeugt. Das von den Pflanzen an die Luft abgegebene Wasser wird aufgefangen und wieder in das System eingespeist.
Auch die Luft im Gewächshaus wird aufbereitet. Sie hat einen leicht erhöhten CO2-Gehalt, spezielle Filter reinigen sie von Pilzspuren und Keimen. Außerdem sterilisiert eine Anlage die Luft mittels UV-Strahlung. So ist eine Pflanzenzucht ganz ohne Insektizide und Pestizide möglich.
Das EDEN-ISS-Gewächshaus lässt sich auch aus einem Kontrollraum steuern. Dafür wird im Rahmen des Projekts die Ferndiagnose durch Bildüberwachung kontinuierlich verbessert.
Ein sicheres System mit sicheren Lebensmitteln
Will man ein solches Pflanzenzuchtsystem bei Weltraummissionen einsetzen, muss es vorab ausgiebig getestet werden. Es darf beispielsweise kein Wasser aus dem Gewächshaus austreten. Das Wichtigste aber ist, dass die erzeugten Nahrungsmittel sicher sind. So muss ausgeschlossen werden, dass sie eventuell Bakterien oder Pilze enthalten, die die Gesundheit der Besatzung oder die der Pflanzen gefährden könnten.
Die Technologien, die hier für zukünftige astronautische Langzeitmissionen entwickelt werden, können auch Gewächshäuser auf der Erde optimieren in Hinblick auf die eingesetzten Ressourcen, die Kosten und die Qualität der produzierten Nahrungsmittel. So können darauf aufbauend spezielle Gewächshaussystemen zur Nutzung in Wüstengebieten entwickelt werden, die mit besonders wenig Wasser auskommen. Ebenso können die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden, um den Einsatz von Pestiziden zu reduzieren oder die Qualität der produzierten Lebensmittel zu verbessern.
