Frisch gezüchtete Weltraumtomaten

Die Eu:CROPIS-Mission des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist erfolgreich ins All gestartet. Nach dem Start der Falcon 9-Trägerrakete des Raumfahrt­unter­nehmens SpaceX von der Vanden­berg Air Force Base in Kalifornien am 3.12.2018 um 19:34 MEZ (10:34 Pacific Standard Time) konnte der DLR-Satellit erfolg­reich in einer Umlauf­bahn in 600 Kilometern Höhe ausgesetzt werden. Ein erster Funk­kontakt des etwa kühl­schrank­großen Satelliten zum Deutschen Raum­fahrt­kontroll­zentrum (GSOC) in Ober­pfaffen­hofen erfolgte etwa eine Stunde und 15 Minuten nach dem Start. In den kommenden zwei Wochen wird das GSOC den Satellit im All in Betrieb nehmen und sämtliche Funktionen testen. In zirka sieben Wochen können die Forscher das erste von zwei Gewächs­häusern in Betrieb nehmen, kurz darauf werden die ersten Tomaten ausgesät.

Der Eu:CROPIS-Satelliten hat zwei biologische Lebens­erhaltungs­systeme mit Gewächs­häusern, Bio­filter, Zwerg­tomaten­samen, ein­zelligen Algen und synthetischem Urin. Die Samen sollen im Welt­all keimen, durch die erfolg­reiche Umwandlung des Urins in eine Dünge­mittel­lösung werden die Tomaten wiederum wachsen. Die Mission soll zeigen, wie biologische Lebens­erhaltungs­systeme als Nahrungs­versorgung auf Lang­zeit­missionen eingesetzt werden können. Der etwa ein Kubik­meter große und 230 Kilogramm schwere Eu:CROPIS-Satellit mit der biologischen Payload wurde vom DLR und der Friedrich-Alexander Universität Nürnberg-Erlangen entwickelt und gebaut.

„Mit der Eu:CROPIS-Mission liefert das DLR einen wesentlichen Beitrag für zukünftige Lang­zeit­missionen. Sie zeigt, ob und wie ein geschlossenes biologisches Lebens­erhaltungs­system fern von der Erde funktionieren und Nahrungs­mittel produzierten kann. Mit der Mission hat das DLR ein weiteres Mal seine System­kompetenz bei der Konzeption und beim Bau von Satelliten unter Beweis gestellt", beschreibt Hans­jörg Dittus, DLR-Vorstand für Raum­fahrt­forschung und -technologie die Mission.

Eu:CROPIS steht für „Euglena and Combined Regenerative Organic-Food Production in Space”. „Mit dieser Mission soll gezeigt werden, dass Urin auch unter Mond- und Mars-Schwer­kraft­bedingungen in Nähr­stoffe umgewandelt werden kann", sagt Jens Hauslage vom DLR-Institut für Luft- und Raum­fahrt­medizin in Köln. Im Inneren des Satelliten befinden sich zwei Gewächs­häuser in jeweils geschlossenen Lebens­erhaltungs­systemen. Kern dieser Systeme sind ein Bio­filter und Grün­algen (Euglena gracilis). Der Bio­filter besteht aus einer 400 Milli­liter großen Kammer, gefüllt mit Lava­steinen. Auf und in den porösen Steinen sind Bakterien angesiedelt, die den darüber rieselnden Urin im Wasser­kreislauf in Nitrat umwandeln.

„Die so gewonnene Nährstoff­lösung dient zur Auf­zucht der Tomaten. Diese sind sozusagen der Indikator, dass unser Experiment im All erfolg­reich verläuft", beschreibt Hauslage. Eine weitere wichtige Rolle übernehmen die einzelligen Augen­tierchen, Euglena gracilis oder auch Grün­algen genannt, die in zirka 500 Milli­liter „grüner Lösung" mit ins All fliegen. Zum einen können sie Sauer­stoff produzieren. Eine Eigen­schaft, die vor allem am Anfang des Experiments, wenn die Tomaten erst keinem und noch keinen Sauer­stoff über die Photo­synthese produzieren, zum Tragen kommt. Zum anderen können die Augen­tierchen das System ent­giften und vor zu hohen Ammoniak­konzentrationen schützen, die auftreten können, wenn der Biofilter nicht richtig funktioniert. „Wir nutzen die Eigen­schaften von Organismen­gemeinschaften, um Abfälle in Stoffe auf rein biologische Weise umzuwandeln, die wir für das Wachstum von Nutz­pflanzen, in diesem Fall Tomaten, brauchen. Damit schaffen wir wichtige Voraus­setzungen für die Versorgung von Astronauten auf zukünftigen Lang­zeit­missionen", erläutert Hauslage. Er und Michael Lebert (FAU in Erlangen) sind die wissen­schaftlichen Initiatoren und Leiter der EU:CROPIS-Mission.

Die Vorgänge in den Gewächs­häusern werden von Kameras aufgezeichnet und an das GSOC sowie das MUSC (Nutzer­zentrum für Weltraum­experimente) übertragen. LED-Licht sorgt für einen Tag-Nacht-Rhythmus, ein Druck­tank für einen atmosphärischen Druck von einem Bar, was dem Luft­druck auf der Erde entspricht. Mit an Bord des Eu:CROPIS-Satelliten sind auch die beiden Strahlungs­mess­geräte RAMIS (Radiation Measurement in Space) des Instituts für Luft- und Raum­fahrt­medizin. Sie messen während der Mission im Inneren sowie an der Außen­seite die Strahlungs­belastung. Zudem schickt das DLR den Bordcomputer SCORE (Scalable On-Board Computing Experiment) mit und testet das Prinzip des skalier­baren Board­rechners COBC (Compact On-Board Computer) erst­mals im All. Der Rechner wird die von den Bord-Kameras aufgenommenen Bilder verarbeiten. Die NASA steuert außerdem mit Power Cell ein Experiment zur Produktion von nützlichen biologischen Stoffen im Welt­all durch Bakterien bei.

Der Satellit rotiert während der Mission um seine Längs­achse. So entsteht – je nach Umdrehungs­zahl – eine entsprechende Gravitation. Im ersten Teil der Experiment­phase werden mit zwanzig Umdrehungen pro Minuten zirka 23 Wochen lang Gravitations­bedingungen wie auf dem Mond geschaffen (0,16-fache Erd­gravitation). In dieser Phase wird das erste Gewächshaus in Betrieb genommen. In der zweiten Wissenschafts­phase dreht sich der Satellit mit 32 Umdrehungen pro Minute, wodurch Mars­schwerkraft erzeugt wird (0,38-fache Erd­gravitation). Dabei finden die Experimente im zweiten Lebens­erhaltungs­system statt.

Frisches Gemüse, das im Weltall auf umgewandelten biologischen Abfall­produkten gedeiht, ist nicht nur Grund­vorrausetzung für Lang­zeit­reisen im All, auch auf der Erde können diese Forschungs­ergebnisse von Nutzen sein. Wenn Urin oder Gülle in für Pflanzen nutz­bare Nähr­stoffe und Frisch­wasser recycelt werden kann, lassen sich die Lebens­bedingungen in Ballungs­gebieten oder in extremen trink­wasser­armen Lebens­räumen verbessern und Böden und Grund­wasser entlasten, ein weiterer Forschungs­schwer­punkt des DLR.

DLR / DE