Pflanzen als Teil des Lebenserhaltungssystems an Bord

Mit zunehmender Länge der bemannten Missionen stehen Raumfahrer vor neuen Problemen. Interplanetare Flüge oder längere Aufenthalte in Raumstationen erfordern z.B. die Wiederaufbereitung von Luft und Wasser. Aber auch die Nahrungsmittelfrage ist nicht unerheblich, denn Proviant für über 500 Tage (die voraussichtliche Flugdauer einer bemannten Marsmission) würde in den meisten Fällen die zur Verfügung stehenden Kapazitäten sprengen.

Zumindest für diese drei Problemstellungen bieten sich Pflanzen als Lösung an. Sie können nicht nur Sauerstoff herstellen, Kohlendioxid abbauen und sogenanntes Grauwasser wiederaufbereiten, sondern auch als Nahrungsmittel dienen. Überdies haben Pflanzen auf die Besatzung von Raumfahrzeugen auch einen stimmungsaufhellenden Effekt. Prinzipiell sind sie also die perfekte Ergänzung zum Lebewesen Mensch.

Quelle: NASA

Quelle: NASA

Ganz aktuell, nämlich seit dem 1. März 2013, läuft auf der ISS hierzu wieder einmal eine Reihe von Experimenten in Kooperation zwischen ESA und NASA (siehe auch => hier und hier), weshalb ich diesem wichtigen Thema auch einen eigenen Blogeintrag widme.

An Bord eines Raumfahrzeuges muss die Pflanze insgesamt eine beachtliche Anzahl von Bedingungen erfüllen:

Sie sollte schnell wachsen. Möglichst viele ihrer Bestandteile sollten essbar sein, sie sollten nicht zu hoch werden und widerstandsfähig sein gegen Krankheitsbefall. Darüber hinaus sollten sie jedoch auch mit relativ wenig Licht auskommen (wobei LEDs hier zunehmend für Abhilfe sorgen) und sich auch in der Schwerelosigkeit leicht in mehreren Generationen anbauen lassen.

Technik

Quelle: NASA

Adhäsion: Der Wassertropfen hält sich auf dem Blatt. Die Gasblase in der Mitte steigt aufgrund der Schwerelosigkeit nicht nach oben auf. Bildquelle: NASA

Genau hier lauern allerdings bereits weitere Schwierigkeiten. Ganz banal kann es in der Schwerelosigkeit zum Beispiel passieren, dass das Wasser, mit dem man eine Pflanze gießt, durch die Adhäsionskraft bedingt an deren Stengel hängen oder auf dem Substrat liegen bleibt, statt im Boden zu versickern. Man braucht also ein Substrat, das durch die Größe und Gleichmäßigkeit der Körnung diesen Effekt ausgleicht und das Wasser durch Kapillarkräfte nach unten zu den Wurzeln „saugt“. Gröbere Körnung würde die Wurzeln nicht versorgen, feinere Körung würde keine Luft mehr an dieselben lassen. Die optimale Größe liegt lt. Aussagen der NASA bei 1 bis 2 Millimeter; das entspricht in etwa feinerem Aquarienkies. Hieraus ergibt sich übrigens eine zusätzliche Bedingung: Die Pflanze darf bzgl. der Bodenbeschaffenheit nicht zu empfindlich sein.

Betrachtet man die Summe der Anforderungen, kommen bei weitem nicht alle Pflanzen für den Anbau im All in Frage. Experimentiert wird bisher mit bestimmten Sorten von Weizen, Tomaten, Spinat und einigen anderen Arten. [1]

Des weiteren muss die Besatzung dafür Sorge tragen, dass der von der Pflanze produzierte Sauerstoff sich in der Umgebung verteilt, statt sich um sie herum zu sammeln und sie somit vom benötigten Kohlendioxid abzuschneiden. Auch dies passiert in der Schwerelosigkeit nicht automatisch, kann jedoch mit einem Ventilator leicht gewährleistet werden.

Hat man diese rein technischen Herausforderungen überwunden, erwarten den Raumfahrer und seine Pflanzen jedoch noch weitere:

Wachstum
„Weiß“ eine Pflanze ohne Schwerkraft beispielsweise, in welche Richtung sie wachsen muss? Kennt sie „Oben und Unten“? Experimente mit der Art Arabidopsis an Bord der ISS haben gezeigt, dass diese Pflanze sich in jenem Punkt durchaus anpassen kann, auch wenn ihre Schwerkraftsensoren ausfallen. Eine geeignete Lichtquelle vorausgesetzt, richten sich die oberirdischen Teile der Pflanzen nach einer gewissen Übergangszeit nach dem Licht und die Wurzeln nach der Feuchtigkeit aus. Interessanterweise verhalten sich die Wurzeln zumindest bei Arabidopsis auch ohne Schwerkraft genauso wie beim Wachstum auf der Erde:

Skewing and waving, thought to be gravity dependent phenomena, occur in spaceflight plants. In the presence of an orienting light source, phenotypic trends in skewing are gravity independent (…) [2]

Dies bedeutet allerdings nach weiterer Aussage der Studien-Autoren leider nicht automatisch, dass alle anderen in Frage kommenden Arten oder auch nur alle Abkömmlinge einer einzelnen Art sich unter Schwerelosigkeit ebenso verhalten. Selbst bei sorgfältigster Auswahl und Planung des Anbaus an Bord von Raumfahrzeugen, kann deren Besatzung unliebsame Überraschungen und Rückschläge nicht völlig ausschließen.

Vermehrung

Quelle: NASA

Quelle: NASA

Zu klären wäre auch die Frage nach den nächsten Generationen. Während die Vermehrung bei Pflanzen, von denen man Stecklinge setzen kann, noch relativ leicht zu bewerkstelligen sein dürfte, gibt es im Fall von geschlechtlicher Fortpflanzung die eine oder andere Besonderheit, die evtl. zum Problem werden könnte. So hat sich zum Beispiel herausgestellt, dass die Pollenschläuche unter Schwerelosigkeit zwar auch in die richtige Richtung wachsen, dabei allerdings um ca. 8% dünner ausfallen als unter normalen Umständen. [3] Dies könnte zu Fehlschlägen bei Befruchtungsversuchen führen und somit zu unerwarteten Ernteausfällen bzw. dem Verlust ganzer Pflanzenarten an Bord. Ein Risiko, das man sich auf längeren Missionen absolut nicht leisten kann. In solchen Fällen wäre zu überlegen, ob man die Schwerkraft an Bord nicht mit Hilfe von Zentrifugen simulieren sollte, was allerdings wiederum den Energieverbrauch und den Platzbedarf steigen ließe.

Strahlung
Hat man die Pflanzen erfolgreich befruchtet, stellt sich bald die nächste Frage: Ist die nächste Generation brauchbar, oder hat sie durch die Weltraumstrahlung eventuell genetische Schäden davongetragen? Dass dies nicht auszuschließen ist, hat China jüngst bewiesen. Aus Samen, die dieser Strahlung mit voller Absicht ausgesetzt waren, zogen sie eine neue Generation Pflanzen heran, um aus diesen wiederum diejenigen mit profitablen spontanen Mutationen herauszusuchen und weiter zu züchten. Darunter befanden sich z.B. Salatgurken von enormer Länge. [4]

Die Mutationsrate derart bestrahlter Pflanzen ist einige hundert Mal so hoch wie auf der Erde. Allerdings produziert sie selbstverständlich bei weitem nicht nur erwünschte bzw. nützliche Mutationen. Zum Teil keimen die so behandelten Samen auch überhaupt nicht mehr, so dass man für Missionen, auf denen man auf Pflanzen angewiesen ist, unbedingt auch über eine bessere Abschirmung nachdenken muss, als eine Raumstation sie derzeit bietet. [5]

Andererseits haben jüngste Erfahrungen mit Flachs und Soja in radioaktiv verstrahlten Gebieten auf der Erde gezeigt, dass es durchaus auch weitgehend strahlungsresistene Pflanzen gibt, die sich ebenfalls für den Anbau an Bord eignen könnten. [6], [7], [8] Es stellt sich nun die Frage, ob man diese Eigenschaft ggf. auch auf andere Arten übertragen könnte, ohne damit deren Nutzen für die Astronauten zu kompromittieren.

Fazit
Angesichts all dieser Problemstellungen ist es derzeit  zumindest riskant, eine länger währende Mission von Pflanzen an Bord abhängig zu machen. Langzeitexperimente wie „Mars-500“ verliefen zwar grundsätzlich vielversprechend, boten aber natürlich nicht die selben Umgebungsbedingungen, da diese nicht komplett simuliert werden konnten. Insbesondere Schwerkraft und Strahlung entsprachen nicht den Gegebenheiten an Bord eines Raumfahrzeugs. Dennoch ist das bisher gewonnene Wissen über das Wachstum von Pflanzen im All auch aktuell und für den Otto-Normal-Verbraucher von Nutzen. Zum Beispiel in der Gentechnik.

[1] http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/273.html
[2] http://www.biomedcentral.com/1471-2229/12/232
[3] http://www.livescience.com/27868-plant-sex-zero-gravity.html
[4] http://www.spacesafetymagazine.com/2012/09/04/chinese-space-radiation-mutate-food-crops/
[5] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0273117786900761
[6] http://www.popsci.com/technology/article/2011-03/plants-survive-radioactive-soils-chernobyl-implications-space-farming,
[7] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es100895s
[8] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/pr900034u