SpiderFab

Egal, ob man Satelliten plant, eine Mondbasis oder eine Raumstation: Der Transport zum jeweiligen Zielort ist jedesmal ziemlich aufwändig. Handelt es sich um relativ kleine und leichte Dinge, kann man sie auf der Erde zusammenbauen und anschließend in einem Stück am geplanten Ort aussetzen. Verteilt auf nur wenige Meter sind die rund 3.000 Kilo, die z. B. ein Kommunikationssatellit wie Artemis üblicherweise wiegt, kein allzu großes Problem.

Bei komplexeren Konstruktionen wie einer Raumstationen wird es weit schwieriger. Die ISS beispielsweise hat ein Gesamtgewicht von 420.000 Kilogramm und eine Spannweite von 108 Metern. Es hätte Unmengen an Treibstoff und bisher noch gar nicht existente Transportsysteme erfordet, um sie in einem Stück ins All zu transportieren. Von der Gefahr, dass sie dabei durch die einwirkenden Kräfte beschädigt worden wäre, ganz zu schweigen. Man hat daher die einzelnen Module auf der Erde produziert, nacheinander ins All geschafft und dort oben zu einem Ganzen zusammengefügt.

Enorme Ersparnisse

Bisher müssen diese Module (aber auch Satelliten etc.) so konzipiert werden, dass sie sich für den Transport eignen und gegebenenfalls temporär verkleinern lassen. Das kostet nicht nur mehr Zeit, Material und Geld, es macht diese Teile auch anfälliger für Fehlfunktionen und Verschleiß und schränkt sie unter Umständen sogar in der Leistungsfähigkeit ein. Auch der Zusammenbau an sich erfordert oft große Mühen und aufwändige Außenbordaktivitäten der Astronauten.

Viel effizienter, aber bisher wegen der Bedingungen im All so gut wie nicht zu realisieren, wäre der Transport der Materialien und die anschließende Produktion direkt vor Ort. Dies ist nun das Ziel eines neuen, von der NASA mit einer halben Million Dollar unterstützten Projekts: SpiderFab.

SpiderFab. Quelle: Tethers Unlimited

SpiderFab. Quelle: Tethers Unlimited

Es basiert auf Robotern, die die einzelnen Materialien im All in Empfang nehmen sollen und mittels u. a. der 3D-Drucktechnik daraus an Ort und Stelle viele der Dinge bauen, die man bis jetzt nur wesentlich kleiner konzipieren und auch nur als Bauteile in den Orbit schaffen konnte. Möglich wären laut Tethers Unlimited zum Beispiel „multi-hundred-kilowatt solar arrays, large solar sails, and football-field sized antennas“. Wie space.com berichtet, ist der eigentliche Traum hinter dem Projekt allerdings noch etwas ambitionierter:

„Our really long-term objective for all of this work is to eventually enable the use of in-situ resources to construct the infrastructure in space needed to support humanity’s expansion throughout the solar system.“ (Robert P. Hoyt)

Die Vorteile liegen auf der Hand: Auf diese Art fabrizierte Teile wären nicht nur auf längere Sicht preiswerter, ihre Bauweise wäre auch für die Bedingungen an ihrem Einsatzort optimiert, ohne dabei Kompromisse für den Transport eingehen zu müssen. Darüber hinaus könnte man sie bei Bedarf direkt vor Ort neu konfigurieren oder reparieren und man könnte sie auch größer konstruieren als es bisher der Fall war. Bei z. B. Solarpanels, Antennen oder auch Teleskopen wie Hubble ist gerade die Größe für die Leistungsfähigkeit ganz entscheidend. Mit Hilfe einer von SpiderFab gebauten Riesenantenne könnten wir die Signale von interstellaren Sonden wie Voyager evtl. noch viele Jahre länger verfolgen als mit heute zur Verfügung stehenden Mitteln.

Tethers Unlimited setzt bei der Produktion hauptsächlich auf einen Ansatz, den sie „Satellite Chrysalis approach“ nennen. Statt einer Art Weltraumfabrik, die mehrere Exemplare eines Produktes herstellt und dann verteilt, will Tethers die Systeme wie z.B. Antennen sich Schritt für Schritt selbst produzieren lassen. Das hätte den Vorteil, dass man das fertige Produkt nicht erst wieder vom Produktions- an ihren eigentlichen Einsatzort transferieren müsste. SpiderFab würde an Ort und Stelle zunächst ein netzähnliches Grundgerüst herstellen und dieses nach und nach mit den einzelnen weiteren Komponenten verstärken und komplettieren. Bisher ist SpiderFab seiner Zeit aber ein klein wenig voraus. Heutige 3D-Drucker sind schlicht noch nicht schnell genug, um große Strukturen in akzeptabler Zeit herzustellen. Eine Kombination aus 3D-Druck und sogenanntem „Automated Fiber Layup“, einer Materialschichtungstechnik, soll hier Abhilfe schaffen.

Problematik Druck im All

3D-Druck in Abwesenheit von Schwerkraft ist jedoch nicht ganz unproblematisch. Zwar kann man in alle Richtungen drucken, ohne wie auf der Erde die dabei frei stehenden Teile oder Hohlräume stützen zu müssen. Ohne Schwerkraft verbinden sich Materialschichten aber gegebenenfalls anders oder gar nicht miteinander. Auch Strahlung, UV-Licht, Kühlung und generell Temperaturschwankungen in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung sind ein Problem. Hier muss man also gegensteuern und ausgleichen: „In the SpiderFab implementations we propose to use additives or coatings in the fiber-reinforced thermoplastics to cold-bias the materials and minimize their thermal fluctuations under different insolation conditions, and use contact, radiative, and/or microwave heating to form and bond these materials.“ [1] Einige wenige Präzisionskomponenten soll SpiderFab fürs Erste noch aus irdischer Produktion übernehmen und integrieren.

Manche Weltraum-Aficionados wie z. B. Citizens In Space ziehen gar die Möglichkeit in Betracht, dass SpiderFab sich auch des Weltraumschrotts bedienen und diesen beim Bau neuer Konstruktionen recyclen könnten. Damit würden gleich drei Fliegen mit einer Klappe geschlagen: Der gefährliche Schrott würde endlich reduziert, die zum großen Teil teuren Rohstoffe würden wiederverwendet, und obendrein würde man sich weitere Materialtransporte ersparen.

Unabhängig davon sind die ersten Schritte und Produkte des SpiderFab jedoch auf Teile begrenzt, mit deren Herstellung man schon genug Erfahrung hat, um auf aufwändige Tests vor dem Einsatz zu verzichten. Zwar ist es durchaus denkbar, hergestellte Teile im Fall einer Fehlkonstruktion auch wieder zu recyclen und von vorne zu beginnen, aber dies wäre mit weiteren Kosten und Zeitverlusten verbunden. Eventuell wäre damit der Einsatz von SpiderFab gegenüber der herkömmlichen Methode nicht mehr zu rechtfertigen. Um tatsächlich wie erhofft ein ganzes Raumschiff direkt im Orbit zu bauen, muss SpiderFab jedenfalls zunächst einen enormen Erfahrungsschatz aufbauen – wahrscheinlich über Jahrzehnte.

Zeitplan

SpiderFab-Zeitplan, Quelle: Tethers Unlimited

SpiderFab-Zeitplan, Quelle: Tethers Unlimited

Zum Einsatz kommen soll SpiderFab um das Jahr 2024, zunächst mit der Produktion von z. B. Kleinstsatelliten. In der Zwischenzeit wird sich Tethers Unlimited, wie links auf dem Zeitplan zu sehen, Schritt für Schritt an die neue Produktionstechnik herantasten.

Es bleibt abzuwarten, welche Fortschritte in den nächsten 10 Jahren noch bei den Produktionsmethoden oder auch bei den Steuerungsmöglichkeiten gemacht werden. Unter Umständen stehen bis dahin Drucker, Roboter und Software zur Verfügung, von denen das Unternehmen im Moment nur träumen kann.

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[1] Robert P. Hoyt, Jesse I. Cushing et al.: „SpiderFab: An Architecture for Self-Fabricating Space Systems“, Tethers Unlimited, Inc., Bothell WA, 98011, USA / American Institute of Aeronautics and Astronautics, S. 5

SpiderFab Präsentation: http://livestream.com/viewnow/NIAC2015/videos/75183704

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The Final Frontier? – Teil II

Wer über Generationenschiffe nachdenkt, kommt nicht um die Frage herum, wie es im All mit der Fortpflanzungsfähigkeit aussieht. Bei den rein technischen Aspekten, dem Sex an sich also, können wir wohl getrost auf den menschlichen Einfallsreichtum vertrauen. Bei Befruchtung, Schwangerschaft und Geburt wird’s hingegen schon etwas kniffliger.

Ein Faktor für Probleme ist ganz simpel der Stress. Viele Frauen werden bestätigen können, dass körperliche und psychische Belastung den Zyklus erheblich beeinträchtigen kann. Ähnliches gilt für die Libido bzw. den Testosteronspiegel bei Männern. Hier wäre es ggf. erforderlich, über eine Hormoneinnahme gegenzusteuern. [1]

Eier legende und wirbellose Lebewesen scheinen zumindest, was die reine Befruchtung in vivo angeht, hingegen weniger Probleme zu haben. (Die Entwicklung von Embryo bzw. Fötus ist allerdings eine andere Sache, wie wir noch sehen werden.)

So far, several experiments on reproduction in such environments have been reported using sea urchins, fish, amphibians and birds, and the fertilization rates were similar to those found in controls at normal gravity (1g) (…). However, unlike the other taxa studied to date, mammalian reproduction is complicated and highly specialized. [2]

Da hätten wir bei Säugetieren zunächst die Frage der Qualität von Spermien und Eizellen. Sie sind im All erhöhter Strahlung ausgesetzt – Spermien noch mehr als Eizellen -, so dass wir eine Schädigung des Erbmaterials nicht ausschließen können. Bei längeren Aufenthalten im All (wir erinnern uns: Strahlungsrisiken sind über die Zeit kumulativ) könnte dies entweder zu eingeschränkter Fruchtbarkeit bzw. kompletter Unfruchtbarkeit führen, zu Fehlgeburten oder zu Schäden am Organismus des Kindes.

Zwar kann man Strahlungseinwirkung durch entsprechend angepasste Fahrzeuge und Kleidung erheblich reduzieren, aber leider ist es damit alleine noch nicht getan. Studien mit Mäusen haben gezeigt, dass auch die Schwerelosigkeit ein Problem darstellt. Die Eizellen lassen sich zwar in vitro befruchten, nisten sich jedoch unter Mikrogravitation wesentlich schlechter ein als bei der Kontrollgruppe unter 1g. Konkret bilden sie zu wenig Trophektoderm-Zellen. Das sind die Zellen, aus denen sich die Plazenta entwickelt. Infolgedessen treten Schwangerschaften gar nicht erst ein oder die Embryonen werden nach einiger Zeit vom Körper der Mutter resorbiert. Studien mit Ratten wiederum weisen außerdem bei den Männchen auf geringere Spermienzahl und -qualität unter Mikrogravitation hin, was wiederum die Befruchtung an sich beeinträchtigt. [2]

Weitere Forschungsergebnisse deuten in die selbe Richtung. So stellte Joseph Tash von der Universität Kansas fest, dass Mikrogravitation die Aktivierung von Enzymen verlangsamt. Von ihm untersuchtes Seeigelsperma erwies sich als quasi hyperaktiv, eine Beobachtung, die auch auf Bullensperma zuzutreffen scheint. Die Ursache liegt zumindest beim Seeigelsperma darin, dass das Enzym, das einen Bewegungsstop veranlasst, unter Schwerelosigkeit nur mit Verzögerung in Aktion tritt. Tash weist zu recht auf die Gefahr hin, dass dies auch auf weitere Enzyme zutreffen könnte, wie zum Beispiel bei der Abgabe der Spermien-DNA an die Eizelle. [3, 4] Problematisch ist also unter Mikrogravitation nicht nur die jeweilige Qualität, sondern auch das Zusammenspiel der Keimzellen.

Wahrscheinlich haben wir hier einen der Gründe, warum z.B. 1979 keine der Ratten, die die sowjetische Raumfahrtagentur in ihrem Biosatelliten Kosmos-1129 in den Orbit geschossen hatte, schwanger wieder auf der Erde ankam. Alle Ratten, die an diesem Experiment beteiligt waren, konnten sich jedoch anschließend mit neuen Partnern unter normalen Bedingungen problemlos fortpflanzen. Allerdings erst nach einigen Monaten, mit Spermien, die wieder unter 1g entstanden waren. Die Spermien, die noch aus der Zeit der Erdumrundung stammten, zeugten auch auf der Erde noch schwer beeinträchtigten und zum Teil lebensunfähigen Nachwuchs: „Abnormalities included physical retardation, showed growth retardation, hemorrhages, hydrocephaly, ectopic kidneys, and enlargement of the bladder.“ [5] Die selbe Studie weist darauf hin, dass die Neugeborenen ein geringeres Geburtsgewicht haben, die Geburt an sich länger dauert und selbst in der 2. Generation die Sterblichkeitsrate der Babys noch erhöht ist.

Doch damit nicht genug, denn es ist sogar bei den Tieren mit Problemen zu rechnen, bei denen die Befruchtung unter Mikrogravitation relativ problemlos klappt. Wie zum Beispiel bei Zebrafischen: „Gross observations and morphometric analyses show that exposure to simulated microgravity results in stunted growth, reduced ossification and severe distortion of some skeletal elements.“ [6]

Die Keimzellentwicklung und auch die Befruchtung unter Schwerelosigkeit führen also zu zahlreichen Problemen. Was aber, wenn man stattdessen bereits schwangere Tiere der Mikrogravitation aussetzt, bei denen Keimzellentwicklung und Einnistung noch bei 1g stattgefunden hat? Leider sieht es hier nicht viel besser aus. Bedenkliche Resultate finden sich u.a. bei Ratten, die ca. 10 Tage nach der Befruchtung ins All befördert und nur kurz vor der Geburt ihres Wurfes wieder zurück auf die Erde geholt wurden. Die Neugeborenen hatten u.a. Orientierungsschwierigkeiten und eine beeinträchtigte Motorik und konnten sich nicht vom Rücken auf den Bauch drehen. [7, 9] All dies ist auch unmittelbar für Menschen relevant. Denn spätestens in der 26 Schwangerschaftswoche hat ein menschlicher Fötus eine Masse erreicht, ab der er nicht mehr im Fruchtwasser suspendiert, sondern ebenfalls der Schwerkraft ausgesetzt ist. Fehlt dieser Faktor bis zur Geburt, befürchten Forscher u.a. auch eine anormale Muskelentwicklung (inklusive Herzfehler) und eine gestörte Knochenbildung. [8]

Nun haben aus naheliegenden Gründen natürlich noch keine entsprechenden Experimente mit Menschen stattgefunden. Aber man muss aus den bisherigen Forschungsergebnissen mit kleineren Säugetieren wohl bereits den Schluss ziehen, dass für unsere erfolgreiche Fortpflanzung im All nicht nur Strahlenschutz, sondern auch simulierte 1g-Schwerkraft unverzichtbar ist. Und zwar interessanterweise auch dann, wenn wir irgendwann in ferner Zukunft einen Planeten bevölkern sollten, der eine höhere Schwerkraft als die irdische besitzt. Denn Tash [3, 4] hat die für die Beweglichkeit der Spermien verantwortlichen Proteine in deren Flagellum identifiziert und auch nachgewiesen, dass bei > 1g die Beweglichkeit der Spermien geringer wäre als normal. Weitere Auswirkungen der Schwerkraft auf Fruchtbarkeit, Entwicklung des Kindes sowie die Schwangerschaft an sich sind ebenfalls mehr als wahrscheinlich: „In fact several studies have shown that (…) prolonged exposure to hypergravity from conception to weaning causes permanent deficits in gravity-dependent righting behaviors. Data on hypergravity and microgravity exposure suggest some changes in the otolith formation during development, in particular the size although these changes may actually vary with the species involved.“ [9]

Eine Anpassung (via Selektion) an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten würde vermutlich viele Generationen dauern und zahlreiche Hilfsmaßnahmen und -mittel erfordern. Viele Individuen wären erforderlich, um den Fortbestand der Spezies über so viele Generationen hinweg überhaupt zu gewährleisten. Eventuell jedoch ist eine Besiedelung von Himmelskörpern, deren Schwerkraft zu sehr von der irdischen abweicht, aber auch gar nicht wirklich ratsam.

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[1] AJ Tilbrook, AI Turner, IJ Clarke: „Effects of stress on reproduction in non-rodent mammals: the role of glucocorticoids and sex differences“, Rev Reprod May 1, 2000 5 105-113, doi: 10.1530/ror.0.0050105
[2] Sayaka Wakayama, Yumi Kawahara et al.: „Detrimental Effects of Microgravity on Mouse Preimplantation Development In Vitro“, PLoS ONE 4(8): e6753. doi:10.1371/journal.pone.0006753
[3] J. S. Tash, G. E. Bracho: „Microgravity alters protein phosphorylation changes during initiation of sea urchin sperm motility“ FASEB J. 13:S43-S54, 1999
[4] J. S. Tash, S. Kim et al.: „Fertilization of sea urchin eggs and sperm motility are negatively impacted under hypergravitational forces significant to space flight“ Biol.Reprod. 65 (4):1224-1231, 2001
[5] Serova LV, Denisova LA et al., „Reproductive function of the male rat after a flight on the Kosmos-1129 biosatellite“, Kosmicheskaia Biologiia i Aviakosmicheskaia Meditsina [1982, 16(5):62-65]
[6] Edsall SC, Franz-Odendaal TA: „An assessment of the long-term effects of simulated microgravity on cranial neural crest cells in zebrafish embryos with a focus on the adult skeleton.“, PLoS ONE PMID:24586670, DOI: 10.1371/journal.pone.0089296
[7] Serova LV, Denisova LA et al.: „General characteristics of an experiment to study the ontogeny of rats on board the Kosmos-1514 biosatellite“, Kosmicheskaia Biologiia i Aviakosmicheskaia Meditsina [1985, 19(2):49-53]
[8] Patricia A. Santy, Richard T. Jennings: „Human Reproductive Issues in Space“, Advances in Space Research, Volume 12, Issues 2–3, 1992, Pages 151–155, DOI: 10.1016/0273-1177(92)90102-4
[9] Bruce, Fritzsch: „The development of vestibular connections in rat embryos in microgravity“, Journal of Gravitational Physiology : a Journal of the International Society for Gravitational Physiology 1997, 4(2), S. 59 ff

Mars One – „Big Brother“ auf dem Nachbarplaneten

In meinem letzten Posting erwähnte ich im Fazit, dass eventuellen Interstellarreisen und der Besiedelung von Exoplaneten entsprechende Experimente innerhalb unseres eigenen Sonnensystems vorausgehen sollten. Nun sieht es so aus, als solle ein solches Projekt im kleinen Maßstab Gegenstand einer Reality-Soap werden.

Richtig gelesen: Die niederländische Stiftung „Mars One“ sucht ab sofort Bewerber für eine Mission, in deren Verlauf eine Marskolonie aufgebaut werden soll. Im Abstand von zwei Jahren sollen jeweils weitere Kandidaten und Material folgen; die Fortschritte während der Reise und vor Ort sollen ähnlich wie bei „Big Brother“ im Fernsehen übertragen werden. Finanziert wird das ca. 6 Milliarden Dollar teure Projekt durch die Übertragungsrechte und Spenden.

Eine Rückreise der Kandidaten ist nicht vorgesehen. Wer einmal dort ist, bleibt auch dort. Bas Lansdorp, der Mitbegründer von Mars One, begründet dies damit, dass der menschliche Körper sich nach dem langen Flug und dem Aufenthalt auf unserem Nachbarplaneten nicht wieder an die Schwerkraft der Erde anpassen könne. [1]

Ich persönlich halte diese Begründung spontan für nicht ganz plausibel, denn man könnte die ca. achtmonatige Rückreise durch entsprechend konzipierte Raumfahrzeuge durchaus dazu nutzen, den Körper sukzessive wieder auf die Schwerkraft der Erde vorzubereiten. Auch dem vorhergesagten Muskel- und Knochenschwund kann man durch Sport entgegenwirken. Denkbar wäre eher, dass irgendwann das Immunsystem schlapp macht, je nach Gesamtdauer der Reise. [2] Wie das Beispiel von Valeri Poljakow zeigt, wäre jedoch eine Rückreise nach kurzem Aufenthalt höchstwahrscheinlich sehr wohl möglich. Poljakow ist mit über 14 Monaten an Bord der „MIR“ Rekordhalter für den längsten Aufenthalt in Schwerelosigkeit. Er hat trotz einer Übergangsphase mit gewissen körperlichen und psychischen Anpassungsschwierigkeiten offenbar keinerlei bleibende Schäden davongetragen. [3]

Wie man dem BBC-Artikel entnehmen kann, sind einige Experten dennoch skeptisch, was Mars One angeht. Insbesondere die stark schwankenden Temperaturen, die Abwesenheit von flüssigem Wasser und das Strahlungslevel empfindet Dr Veronica Bray von der Universität Arizona als problematisch.[1] Dies deckt sich mit jüngsten Berichten, dass (wenig überraschend…) stärkere Strahlungseinwirkung mit einem erhöhten Krebsrisiko einher geht. [4] Um dem entgegen zu wirken, sollen die Habitate auf dem Mars mit einigen Metern Erde bedeckt werden. Den Ausblick auf die Marslandschaft werden die Kolonisten also wohl nur in Raumanzügen außerhalb ihrer Wohnkapseln genießen können.

Auch von Seiten einiger Astronauten gibt es Bedenken. Sie betreffen vor allem die langfristige Funktionstüchtigkeit der Lebenserhaltungssysteme. Dennoch heißt es über NASA-Astronaut Stan Love:

„Although dubious about the funding, the technology and the impact of radiation, Love applauds small enterprises like Mars One.

He strongly believes private organisations will help raise awareness and hopefully discover or design some technology which will help future teams reach their goal of landing on Mars.“

(Quelle: „Applicants wanted for a one-way ticket to Mars„)

Ich persönlich bin jedenfalls sehr gespannt, wie es mit Mars One weitergeht. Vermutlich wird dies die erste Reality-Soap, die ich mir freiwillig ansehe. Falls sie denn zustande kommt.

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[1] http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-22146456
[2] http://www.kommunikation.uzh.ch/publications/magazin/magazin-12-1/Magazin-2012-1-18.pdf
[3] http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/001401398186991
[4] http://explore.georgetown.edu/news/?ID=70072&PageTemplateID=295

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