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Wissen & Umwelt

Selbstversorgung: Gärtnern im Weltall

Will der Mensch zum Mars fliegen, hat er eine lange Reise vor sich. Dafür braucht er zum einen Lebensmittel, aber auch Sauerstoff zum Atmen. Entweder nimmt er das alles mit oder er baut es selbst an - im All.

Tomaten wachsen in einem Glasröhrchen auf einem Lava-Substrat, das Abfälle kompostiert. (Foto: Fabian Schmidt/ DW)

Auch im Weltall können einmal Tomaten wachsen

Noch klingt es nach Science Fiction, aber eines Tages könnten Raumfahrer sich tatsächlich auf den Weg zum Mars machen. Auch der Mond hat eine magische Anziehungskraft auf Forscher und Weltraum-Enthusiasten. Dort könnte beispielsweise einmal eine Basis entstehen, von der aus Astronauten noch fernere Ziele ansteuern können. In jedem Fall müssten die Menschen sehr lange in Raumschiffen- oder Raumstationen leben - ohne regelmäßigen Kontakt zur Erde. Das schafft ein Versorgungsproblem!

Solche Langzeit-Weltraum-Siedler könnten sich ihren Sauerstoff, ihr Essen und ihre Getränke für die ganze Zeit nicht mehr von der Erde mitnehmen, denn alles müsste erst einmal aufwendig ins All befördert werden, und dabei stört jedes Kilo überflüssiges Gewicht.

Luft aus Wasser

Also kommen sogenannte "lebenserhaltende Kreislaufsysteme" zum Einsatz. Schon jetzt wird auf der Internationalen Raumstation (ISS) allerhand wiedergewonnen, zum Beispiel Wasser. "Dem Urin der Astronauten wird dort das Wasser entzogen", erklärt Gerhild Bornemann, Biologin am Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), "übrig bleibt ein ganz kleines Restkonzentrat, das dann mit dem nächsten Versorgungsflug zurück zur Erde geflogen wird." Das gewonnene Wasser wird chemisch aufgereinigt und zurück in den Wasserkreislauf des Raumschiffs eingespeist.

Im Algen-Flachpanel-Reaktor reifen Algen heran, die aus Wasser, Nährstoffen und CO2 Sauerstoff oder Wasserstoff und Nährstoff-Masse produzieren. (Foto: Fabian Schmidt/ DW)

Aus Wasser und CO2 produzieren Algen im Flachpanel-Reaktor Sauerstoff und Nahrung

Wasser spielt schon jetzt eine sehr wichtige Rolle, denn auch Sauerstoff wird bereits heute auf der ISS daraus gewonnen: Mittels Elektrolyse. Dabei wird Strom durch das Wasser geleitet und so Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet. Der Wasserstoff wird derzeit noch ins Weltall abgegeben, der Sauerstoff sorgt in der Kabine für gute Luft.

Die ISS ist allerdings immer in der Nähe der Erde. Mehrmals jährlich erhält sie Nachschub an Nahrung und Wasser. Sollten Menschen sich jedoch weiter von der Erde entfernen, müssten sie ohne Nachschub auskommen. "Hier müssen biologische Systeme zum Einsatz kommen", sagt Jens Bretschneider vom Institut für Raumfahrtsysteme in Stuttgart. Er setzt auf Mikroalgen: "Sie bieten die Möglichkeit, ausgeatmetes Kohlendioxid (CO2) aufzunehmen, neuen Sauerstoff zu produzieren und dabei Biomasse aufzubauen", so der Luft- und Raumfahrt-Ingenieur. 

Algen liefern Nahrung, Energie und Luft 

Die Algen wachsen in einem sogenannten Flachpanel-Reaktor. Das ist ein durchsichtiger Plexiglas-Tank, der von grünem Wasser durchströmt wird. Darin sprudelt es gewaltig. Kontinuierlich durchströmt Atemluft mit viel CO2 die Flüssigkeit. "Dadurch hat man eine höhere Kontaktfläche. Man regt die Algen auch dazu an, ins Licht zu gehen, wieder aus dem Licht herauszukommen, was die Algen zu schnellerem Wachstum anregt", betont Brettschneider. So könne man schon jetzt auf der Erde sehr gut und effizient Algen züchten.

Eine Brennstoffzelle. (Foto: Fabian Schmidt/ DW)

Hochleistungs-Brennstoffzellen produzieren Strom und Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff .

Zudem gibt es auch andere Algen, die nicht Sauerstoff, sondern Wasserstoff produzieren können: Diese sind dann anaerob, leben also in einem Reaktor ohne Sauerstoff. Kombiniert man nun Reaktoren mit beiden Algen-Typen bekommt man sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff. Daraus kann man über Brennstoffzellen Energie gewinnen. Nebenbei fällt wiederum Wasser ab. "Dadurch bekommt man einen schönen Kreislauf aus Energie, Nahrung, Sauerstoff und CO2", erklärt Bretschneider. "Damit kann man ein paar im Moment noch klaffende Lücken im Lebenserhaltungssystem schließen."

Vor allem sind die Algen aus den Reaktoren aber auch sehr nahrhaft, beteuert der Luft- und Raumfahrttechnik-Ingenieur. "Man kann sie sehr gut zu einer Art Paste aufarbeiten, in Mikrowellen oder mit Kugelmühlen und ins Essen einmischen." So könne man ungefähr 20 Prozent des täglichen Nahrungsbedarfs von Astronauten mit Mikroalgen ersetzen.

Frisches Gemüse schmeckt besser

Aber Astronauten sollen nicht nur Algen-Paste, sondern auch etwas Leckeres zu essen bekommen. Die Lösung der Biologin Gerhild Bornemann: Tomaten oder anderes Gemüse wächst aus Glasröhren, die von Wasser durchströmt werden - ähnlich wie in großen Gewächshäusern auf der Erde. Die Glasröhren sind mit Lava gefüllt. Darin treiben die Pflanzen ihre Wurzeln. Die Lava dient so als Wachstums-Substrat, aber sie hat auch noch eine andere Funktion: Sie hilft beim Kompostieren von Abfällen.

Tomaten wachsen in einem Glasröhrchen auf einem Lava-Substrat, das Abfälle kompostiert. (Foto: Fabian Schmidt/ DW)

Tomaten wurzeln in der Lava. Sie dient auch als Komposthaufen.

"Die Lava ist der Träger für die Mikroorganismen, die dort die Stoffwechselvorgänge ablaufen lassen, so möchten wir die Verwertung von organischen Abfällen direkt mit der Nahrungsmittelproduktion verbinden", so die Forscherin. Als Ausgangsmaterial dient zum Beispiel der Urin der Astronauten - der wird zunächst verdünnt. "Der Harnstoff enthält Stickstoff, den Pflanzen als Nahrung brauchen. Und die Bakterien bauen den Harnstoff zu Nitrat um - zu einem typischen Dünger", erklärt Bornemann. 

Aber auch andere Feststoffe kann das System sehr schnell kompostieren: Pflanzenreste, wie Stängel oder Blätter. Damit der Zersetzungsprozess schneller verläuft, werden sie zuerst geschreddert: "Die zerkleinerten Pflanzenteile kommen in das Wasser und laufen dann über einen Filter. Dann werden sie verstoffwechselt, wie in einem Komposthaufen", so Bornemann. Der einzige Unterschied zum klassischen Misthaufen: Die Verrottung geht schneller, weil Wasser ständig das System durchströmt.

Noch schneller geht die Kompostierung, wenn Fische einmal den Menschen im Weltall begleiten - denn die fressen die Feststoffe auf und verwerten sie dadurch schon einmal vor. Und dass Fische in Schwerelosigkeit überleben können, wissen die Forscher, denn sie waren bereits im Weltall, allerdings nicht als Teil eines Gemüsegartens, sondern für Forschungen am Knochenabbau.

Auch der Gemüsegarten selbst ist bisher noch nicht im Weltraum zum Einsatz gekommen. Allerdings funktioniert er auf der Erde schon ganz gut, zum Beispiel in Köln beim DLR. "Wir haben auch hier in den Büros die alten Versuchsanlagen, da kommt dann auch mal ein altes Brötchen rein", sagt die Biologin. Und das funktioniert gut, die Forscher am DLR haben so in ihren Pausen immer mal ein paar Tomaten zum Naschen.

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