EDEN-ISS: Umfangreiche Gemüseernte in der Antarktis

Das Klima in der Antarktis ist zum Glück noch unwirtlich. Und genau deshalb wurde hier 2018 vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) das Gewächshaus EDEN-ISS aufgebaut. Denn direkt in der Nähe der deutschen Antarktisstation Neumayer III wird die Nahrungsmittelproduktion der Zukunft sowie für künftige Raumfahrtmissionen erforscht. Mittlerweile hat die Überwinterungscrew des Alfred-Wegener-Instituts (AWI), darunter DLR-Forscher Dr. Paul Zabel, ein Jahr im ewigen Eis verbracht. Die Ergebnisse stellte das Team am 23. August vor: Es gab eine unerwartet satte Ernte. Dazu Zabel:

„Insgesamt haben wir in neuneinhalb Monaten 268 Kilogramm Nahrung auf nur 12,5 Quadratmetern produziert, dabei unter anderem 67 Kilogramm Gurken, 117 Kilogramm Salat und 50 Kilogramm Tomaten.“

Vor seiner Reise hatte sich Zabel übrigens in niederländischen Gewächshäusern bezüglich des künstlichen Gemüseanbaues schlau gemacht. Zabel ergänzt:

„Der Geschmack des frischen Gemüses und dessen Geruch haben einen bleibenden Eindruck bei der Überwinterungscrew hinterlassen und sich sichtbar positiv auf die Stimmung im Team über die lange Zeit der Isolation ausgewirkt”.

Ein Zusammenhang, der nun auch psychologisch erforscht wird.

Geringerer Energieverbrauch als erwartet

Zudem waren die Wissenschaftler überrascht, dass sie viel weniger Energie benötigten, als ursprünglich erwartet. Die Leistungsaufnahme des Gewächshauses während der antarktischen Mission betrug im Durchschnitt 0,8 Kilowatt pro Quadratmeter Anbaufläche. Sie war damit weniger als halb so groß wie bisher für Weltraumgewächshäuser mit 2,1 Kilowatt pro Quadratmeter angenommen.

„Dies ist ein wichtiger Aspekt für einen späteren Weltraumbetrieb und lässt uns zuversichtlich in die Zukunft dieser Idee schauen”

…, so Projektleiter Dr. Daniel Schubert vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme. Zudem betont er die hierdurch mögliche, sinnvolle Ergänzung zu Welraumkost, die von der Erde mitgebracht wird:

„In einem Jahr Antarktis mit unserem Gewächshaus haben wir sehr anschaulich gesehen, wie sich auf kleinstem Raum genug Nahrung generieren lässt, um die Verpflegung einer sechsköpfigen Crew mit einem Drittel frisch angebauter Lebensmittel zu kombinieren.”

Hoher Arbeitsaufwand soll reduziert werden

Nichtsdestotrotz: Die Forschenden sehen noch einiges an Entwicklungspotenzial. Denn, um wertvolle Astronautenzeit zu sparen, muss zukünftig der Arbeitsaufwand für Betreuung und Wartung noch deutlich gesenkt werden. Drei bis vier Stunden benötigte Zabel durchschnittlich pro Tag für den Anbau der Pflanzen:

„Etwa zwei Drittel der Zeit war ich mit Betrieb und Wartung der Gewächshaustechnik beschäftigt, ein weiteres Drittel benötigte ich für Aussaat, Ernte und Pflege. Für ein zukünftiges Weltraumgewächshaus muss der Aufwand wertvoller Astronautenzeit noch deutlich reduziert werden.”

Hinzu kam die für Experimente benötigte Zeit von ungefähr vier bis fünf Stunden pro Tag. Das aeroponische Anbausystem, sprich mit Nährlösung ohne Erde, ließ die Pflanzen gut gedeihen. Einige Pumpen bereiteten zwischenzeitlich Schwierigkeiten und die Biofilme in den Nährstofftanks waren unerwartet stark, was aber behoben werden konnte.

Neue EDEN-ISS für Falcon-9-Rakete konzipiert

Aus den Ergebnissen und Erfahrungen des EDEN-ISS-Projekts ist nun ein neues Designkonzept für ein Weltraumgewächshaus entstanden. Dieses Gewächshaus ist recht kompakt für den Start mit einer Falcon 9-Rakete konzipiert. Gleichzeitig ist es entfaltbar und groß genug, um auf Mond oder Mars ausreichend Nahrung für die Astronauten bereitzustellen. „Die Anbaufläche beträgt rund 30 Quadratmeter und ist damit fast dreimal so groß wie im Antarktis-Gewächshauscontainer. Mit diesem System lassen sich rund 90 Kilogramm frische Nahrung pro Monat züchten, was bei einer Präsenz von sechs Astronauten einem halben Kilogramm Frischgemüse pro Tag und Astronaut entspricht”, erklärt Schubert.

Das Konzept kann darüber hinaus mit einem Biofilter‐System (C.R.O.P.) verbunden werden. Sein Zweck ist es, aus Bioabfällen und Urin eine direkt zu verwendende Düngemittellösung zur Pflanzenzucht herzustellen. Damit wird das Gewächshauskonzept zu einem fast vollständigen bio-regenerativen Lebenserhaltungssystem für zukünftige Habitate. Dazu Prof. Hansjörg Dittus, DLR-Vorstand für Raumfahrtforschung und -technologie:

„Das jetzt vorgestellte Konzept für ein Weltraumgewächshaus ist eine wertvolle Grundlage, auf der wir weitere Forschungsarbeit aufbauen wollen.”

EDEN-ISS weltweit für Forschungsteams offen

Nach der Rückkehr Paul Zabels nach Deutschland, lag das Antarktis-Gewächshaus zunächst im “Schlafmodus”. Zuvor hatte das DLR-Team im Januar 2019 alle Systeme gewartet und den Container komplett überholt. Anfang Mai weckten die Bremer Forscher dann das System ferngesteuert aus seinem Schlaf und ließen es hochfahren. Eine eingebrachte Aussaat begann zu gedeihen.

„Dieser Schritt diente der Erprobung eines weiteren Raumfahrtszenarios. Denn ein potenzielles Gewächshaus wird voraussichtlich bereits vor den Astronauten eintreffen und idealerweise bereits ferngesteuert seinen Betrieb aufnehmen”

…, erläutert DLR-Forscher Schubert und er ergänzt: „Der Probelauf war ein voller Erfolg. Nun betreibt die aktuelle AWI-Überwinterungscrew das Gewächshaus weiter, mit kräftiger Unterstützung aus dem Bremer Kontrollzentrum, von wo aus wir so viel wie möglich aus der Ferne überwachen. Für einen minimalen Aufwand der Crew mit möglichst einfachen Abläufen bewähren sich derzeit die im vergangenen Jahr entwickelten Prozeduren.”

Auch steht das Gewächshaus nun weltweit verschiedenen Forschungsgruppen, die in der Antarktis Pflanzenzucht-Experimente durchführen möchten, zur Verfügung.

„Als einer der ersten neuen Kooperationspartner hat bereits die amerikanische Weltraumagentur NASA original NASA-Salatsamen geschickt, wie sie auch auf der Internationalen Raumstation ISS kultiviert werden und nun bei uns in der Antarktis gedeihen”, ergänzt Schubert.

Erkenntnisse für weltweite Nahrungsmittelproduktion interessant

Der gefrorene Kontinent Antarktis zählt zu den spannendsten Forschungsregionen der Welt. “Wir gewinnen dort vor allem Daten über die globalen Klimaänderungen und die antarktische Lebensvielfalt. Das Gewächshaus ist jedoch ein hervorragendes Beispiel dafür, wie wir an der Neumayer-Station III auch an weiteren wichtigen Fragen der Zukunft forschen können. Wir haben schließlich vieles mit der Raumfahrt gemeinsam, wenn wir in für Menschen lebensfeindliche Regionen gelangen, um neue Erkenntnisse zu gewinnen. Gleichzeitig hat die dauerhafte Versorgung mit frischem Obst und Gemüse auch in diesem Jahr wieder einen sehr positiven Nebeneffekt für unsere Überwinterungscrew”, sagt Prof. Antje Boetius, Direktorin des Alfred-Wegener-Instituts, die sich bei einem Aufenthalt an der Station selbst vom Geschmack eines saftigen Riesenradieschens aus dem Gewächshaus überzeugen konnte. Der Anbau von Gemüse sei deshalb grundsätzlich auch interessant für zukünftige Missionen des Forschungseisbrechers Polarstern.

Zudem ist die weltweite Nahrungsmittelproduktion eine der zentralen gesellschaftlichen Herausforderungen im 21. Jahrhundert. Eine steigende Weltbevölkerung bei gleichzeitigen Umwälzungen durch den Klimawandel fordern neue Wege, um Nutzpflanzen auch in klimatisch ungünstigen Regionen kultivieren zu können. Für Wüsten oder Gebiete mit tiefen Temperaturen aber  auch bei Weltraummissionen zu Mond oder Mars ermöglicht ein geschlossenes Gewächshaus von Wetter, Sonne und Jahreszeit unabhängige Ernten. Zudem wird hier weniger Wasser benötigt und es kann auf Pestizide und Insektizide verzichtet werden. Mit dem Projekt EDEN-ISS ist solch ein Modell-Gewächshaus der Zukunft unter antarktischen Extrembedingungen in der Langzeiterprobung.

Die Partner des EDEN-ISS

EDEN-ISS wird vom DLR in Zusammenarbeit mit dem Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) im Rahmen einer Überwinterungsmission auf der deutschen Neumayer-Station III in der Antarktis realisiert. Damit das Gewächshaus in der Antarktis funktioniert, arbeiten unter der Leitung des DLR zahlreiche weitere internationale Partner in einem Forschungskonsortium zusammen. Dazu gehören: Wageningen University and Research (Niederlande), Airbus Defense and Space (Deutschland), LIQUIFER Systems Group (Österreich), National Research Council (Italien), University of Guelph (Kanada), Enginsoft (Italien), Thales Alenia Space Italia (Italien), AeroCosmo (Italien), Heliospectra (Schweden), Limerick Institute of Technology (Irland), Telespazio (Italien) sowie die University of Florida (USA). Finanziert wird das Projekt aus Mitteln des Europäischen Forschungsrahmenprogramms Horizon 2020 unter der Projektnummer 636501.