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sb-wettbewerb

Das sagt der Autor des Artikels, Hendrik Feil über sich:
Ich komme aus Stade, gehe in die 12. Klasse und nehme am Seminarfach Astronomie teil und möchte nach der Schule Chemie studieren. In meiner Freizeit gehe ich zum Segelfliegen und engagiere mich im Technischen Hilfswerk.
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Pflanzenwachstum im All

In zahlreichen wissenschaftlichen Zeitschriften wird seit einiger Zeit über Pläne unterschiedlicher Unternehmen berichtet, welche entweder die Besiedlung anderer Planeten, z.B. den Mars, Reisen an den Rand unseres Sonnensystems oder einfach den Weltraumtourismus möglich machen soll. In den Artikeln wird Bezug auf die Technik der Raumschiffe oder den Aufbau der Stationen im All genommen. Jedoch bleibt ein sehr wichtiges Thema außen vor. Woher bekommen die Astronauten ihre Lebensmittel? Auf dem Mars gibt es schließlich nicht die Voraussetzungen für den Anbau von Getreide und Gemüse. Ich möchte in meinem Artikel über dieses Problem schreiben und bisher gefundene Lösungswege vorstellen.
Eine Versorgung der Menschen im All von der Erde aus, ist, wenn sie sich im erdnahen Orbit aufhalten, mit 20.000€ pro Kilogramm Lebensmittel noch relativ günstig und man bedenkt, dass die Reise derselben Fracht zum Mars bei rund einer Million Euro liegt . Da jeder Mensch aber mehr als ein Kilo Nahrungsmittel pro Tag (etwa 2000 Kilokalorien) braucht und mehrere Personen an der Mission teilnehmen, sind die Preise selbst in den Orbit auf Dauer zu hoch. Gewächshäuser im All können hier Abhilfe schaffen.
Pflanzen brauchen Licht und Nährstoffe zum Wachsen. Auf der Erde erhalten sie Licht von der Sonne und Nährstoffe aus der Erde und der Luft. Im All sind hierfür Solarpanele und Lampen nötig, denn beeinträchtigt durch den Schattenwurf und die Eigendrehung der Planeten, kann ohne diese Maßnahmen keine ausreichende Lichtversorgung gewährleistet sein. Pflanze und Mensch wären im All aufeinander angewiesen, denn im All herrscht ein Vakuum und die Atmosphären anderer Planeten enthalten nicht das ideale Gasgemisch für das Pflanzenwachstum. Die Versorgung der Stationen mit Kohlenstoffdioxid wäre ebenfalls zu teuer. Der Mensch könnte das benötigte Kohlenstoffdioxid und Wasser über seine Atmung liefern. Die Pflanze nimmt dieses auf und wandelt es in den vom Menschen benötigten Sauerstoff um und produziert für ihren Eigenbedarf Glukose.
6 CO2 + 6 H2O ⇌ C6H12O6 + 6 O2
Die menschlichen Ausscheidungen können desweiteren als Nährstoffe weiterverwendet werden. Erste Versuche werden zurzeit vom Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum getestet. Die unbemannte Mission EU:CROPIS soll testen, ob eine solche Lebensgemeinschaft bestehen kann. Dafür wird eine Lebensgemeinschaft aus mehreren Bakterien und zwei Tomatenpflanzen in einem Satelliten auf eine Höhe von 600 km gebracht. Die Bakterien leben während der Mission in einem Rieselfilter. Dort wird künstlicher Urin aus Vorratsbehältern in für die Tomatenpflanze verwendbaren Dünger umgewandelt. Der vom Mensch produzierte Harnstoff zerfällt. Dabei entsteht Ammoniak und Kohlenstoffdioxid.

CO(NH2)2 + H2O → CO2 + 2 NH3
Das Ammoniak wird von den Bakterien bei der sogenannten Nitrifikation zunächst zu Nitrit und dann zu Nitrat umgesetzt.
NH3 + 3 O2 → 2 NO2- + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 → 2 NO3-
Nitrat ist ein sehr guter und wichtiger Nährstoff für Pflanzen, denn der enthaltene Stickstoff ist sehr wichtig für die Bildung von Aminosäuren, welche wiederum für den Aufbau von Proteinen verwendet werden. Überschüssiges Ammoniak wird von dem Einzeller Euglena abgebaut um die Pflanze vor schweren Schäden zu schützen. Ammoniakmoleküle reagieren mit Wassermolekülen in einer sogenannten Säure-Base Reaktion zu Ammonium-Ionen und Hydroxid-Ionen.
NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH-
Ammonium-Ionen könnten von der Pflanze ebenfalls als Nährstoff aufgenommen werden. Es besteht jedoch die Gefahr, dass die Pflanze durch die Hydroxid-Ionen geschädigt wird, da diese eine starke Base sind und somit den pH-Wert der Umgebung stark erhöhen. Eine Atmosphäre wird dabei durch einen Drucktank simuliert. Ein Tag-Nacht Rhythmus wird durch eine LED- Beleuchtung simuliert. (1)

Nährstoffversorgung wäre durch die oben genannten Maßnahmen kein Problem, doch ein ganz wichtiger Punkt fehlt noch, die Schwerkraft. Seit dem Anbeginn der Erde hat sich in Bezug auf die Umwelt viel geändert, wie zum Beispiel der Aufbau der Atmosphäre oder die herrschenden Temperaturen. Die Schwerkraft oder Gravitation ist konstant geblieben. Sie spielt eine wesentliche Rolle bei den chemischen und physikalischen Abläufen in jedem Lebewesen, hat also Einfluss auf deren Entwicklung, Fortpflanzung und Stoffwechsel.
Die ersten Lebewesen haben sich im Wasser entwickelt. Schon hier war die Schwerkraft überlebenswichtig. Welchen Einfluss diese Kraft auf die Evolution hat, sieht man besonders gut, als die ersten Tiere bzw. Pflanzen begannen an Land zu leben und zu wachsen. Tiere mussten ein stabileres Skelett entwickeln, damit sie ihr Gewicht bzw. ihren Körperbau aufrechthalten halten können, so auch Pflanzen. Ihre Struktur musste sich so wandeln, dass sie ihr eigenes Gewicht halten können und nicht einfach umfallen. Einiges hat sich nicht gewandelt. So sind Pflanzen an Land und im Wasser Bewegungen ihres Umfelds ausgesetzt. Im Meer sind dies die Gezeiten oder Meeresströmungen, an Land ist es der Wind. Gewächse müssen sich also an etwas verankern um diesen Kräften entgegen zu wirken, um nicht weggespült oder weggeweht zu werden. Diesen Halt findet die Pflanze in der Erde und am Meeresgrund mit Hilfe ihrer Wurzeln.
Doch woher weiß die Natur wo der Boden ist? Die Gravitation der Erde wirkt stets in Richtung ihres Mittelpunkts, also zum Erdkern hin. Stellen wir uns nun eine Zelle vor. In ihrem Inneren schwimmen unterschiedlich schwere Ionen und Moleküle umher. Schwerere Teilchen schwimmen dabei im unteren Bereich und leichtere oben. Diesen Effekt macht sich die Pflanze zu nutzen. Die schweren Teilchen nennt man in dem Zusammenhang Statholiten. Häufig sind diese Teilchen Stärkemoleküle. Wieso der Organismus daher weiß, wo oben und unten ist, ist bisher nicht genau geklärt. Forscher meinen, es könne an den aus der unterschiedlichen Verteilung resultierenden Drücken auf andere Strukturen im Organismus liegen. Die Pflanze weiß daher wo der Erdboden bzw. der Erdmittelpunkt ist. In der entgegengesetzten Richtung muss folglich die Erdoberfläche sein. Die Pflanze weiß folglich in welche Richtung die Wurzeln und in welche Richtung die Blätter wachsen müssen. Die Fähigkeit sich an der Gravitation der Erde zu orientieren nennt man bei Pflanzen Gravitropismus. Die Fähigkeit sich an der Richtung des Lichts zu orientieren nennt man Phototropismus. Sowohl Erde als auch Luft und Sonne spielen schließlich eine entscheidende Rolle beim Wachstum, Kohlenstoffdioxid und Licht auf der Erdoberfläche für die Photosynthese und das Entnehmen von Nährstoffe aus dem Erdboden. Wir sehen jetzt, dass die Schwerkraft sehr wichtig für das Pflanzenwachstum ist. Deshalb werden im All Zentrifugen benutzt um die Schwerkraft zu simulieren. Wenn sich Zentrifugen drehen beginnen Kräfte zu wirken. Die erzeugten Kräfte kennen wir alle aus unserer Kindheit vom Spielplatz oder Jahrmarkt. Die sogenannte Zentripetalkraft. Wenn ein Körper sich auf einer Kreisbahn mit einer Geschwindigkeit bewegt, wirkt eine nach außen gerichtete Kraft auf ihn. Diese sorgt beim Kettenkarussell dafür, dass die Mitfahrer nach außen weggedrückt werden.

Bild Nr 3

Masse m – blau; Geschwindigkeit v – grün; Zentrifugalkraft – hellrot; Zentripetalkraft – dunkelrot
Doch wie schnell müsste z.B ein Satellit mit einem Gewächshaus sich um seine eigene Achse drehen um Schwerkraftbedingungen des Mondes zu simulieren? Wir gehen in unseren Überlegungen von einer ausgewachsenen Tomatenpflanze von 20 Zentimeter Höhe aus. Weiteres zu der Pflanze wird im nächsten Kapitel erläutert. Wir nehmen an, dass die Pflanze mit ihrem Boden und kleineren Bauteilen zur Nährstoffversorgung etwa 5 Kilogramm wiegt. Der Radius beträgt 35 Zentimeter, denn die Wurzel der Pflanze wird vermutlich auf einer Kreisbahn mit dem genannten Radius liegen. Auf dem Mond herrscht nun die 0,16 fache Gravitation der Erde. Unsere Formel lösen wir zunächst nach der Geschwindigkeit v auf. Sie lautet dann Wurzel aus Kraft mal den Radius geteilt durch die Masse (√(F*r)/m. Wir berechnen dann die Schwerkraft, welche auf die Tomatenpflanze auf der Erde wirkt. Die Formel lautet F=m*g (Masse mal den Ortsfaktor in Mitteleuropa). Wir berechnen die Schwerkraft indem wir die Werte einsetzen. 5 Kilogramm mal 9.81 m/s² ergeben eine Gravitation von 49,05 Newton. 16 Prozent davon sind 7,848 Newton (49,05 N *0,16 =7,848 Newton). Wir setzen diesen Wert nun in unsere Formel ein, mit der wir die Zentrifugalkraft berechnen wollen. Die Wurzel aus 7,848 Newton mal 35 Zentimeter Radius geteilt durch die Masse von 5 Kilogramm ergibt eine Geschwindigkeit von 0.741 Metern pro Sekunde. Umgerechnet mit dem Faktor 3,6 in Kilometer pro Stunde muss sich der Satellit mit einer Geschwindigkeit von 2,66 Kilometern pro Stunde um die eigene Achse drehen um die Schwerkraft des Mondes zu simulieren. Wenn man die Geschwindigkeit des Marses simulieren will muss eine kleine Änderung vorgenommen werden. Mit der oben genannten Formel unter denselben angenommenen Werten, muss die Geschwindigkeit von 2,668 auf 4,112 Kilometer pro Stunde erhöht werden. Die Zentrifugalkraft würde nun die Schwerkraft des Marses, welche die 0,38 fache Schwerkraft der Erde ist, simulieren. (2)
Verfasst von Hendrik Feil aus Stade
Anhang
(1) Der Absatz enthält Informationen von folgender Website.
http://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10081/151_read-17874/#/gallery/23027
aufgerufen am 30.08.16
(2) Der Absatz enthält Informationen von folgender Website.
http://www.esa.int/ger/ESA_in_your_country/Germany/WAICO_Wie_orientieren_sich_Pflanzen_ohne_Schwerkraft
aufgerufen am 30.08.16

Kommentare (19)

  1. #1 Florian
    15. September 2016

    Interessantes und wichtiges Thema. Auch im Bezug zur DLR-Mission.
    Aber kann es sein, dass ein Teil des Artikels fehlt? Er endet sehr abrubt und das erwähnte “nächste Kapitel”, in dem auf die Pflanze näher eingegangen werden soll, kann ich nicht finden.

  2. #2 bruno
    15. September 2016

    ein interessantes thema interessant dargestellt! sehr gut! gefällt mir.

  3. #3 Peter L
    15. September 2016

    Ein sehr interessantes Thema. Aber zu kurze Sätze. Das klingt abgehackt. Und erschwert unnötig das Lesen. Weiters werden damit zu viele Bindewörter gebraucht.

    Weiteres zu der Pflanze wird im nächsten Kapitel erläutert.

    Welches nächste Kapitel? Ist das ein Auszug aus einer Schularbeit? Merkst du, was ich in Bezug auf die kurzen Sätze meine?

  4. #4 Captain E.
    15. September 2016

    Und da fehlt ein wichtiger Aspekt bezüglich des erwünschten Gleichgewichts der Gase: Soweit ich mich erinnere, produzieren Pflanzen viel zu viel Sauerstoff, zumindest wenn man ausreichend viele setzen möchte, um eine Gruppe von Menschen ernähren zu können. Anders gesagt: Wenn Raumfahrer ihre komplette Nahrung selbst ziehen, erleiden sie über kurz oder lang eine Sauerstoffvergiftung.

    Lösen lässt sich das vermutlich nur das Einbringen mindestens eines weiteren Sauerstoffverbrauchers. Bakterien können das theoretisch sein, aber Mikro- und Makropilze sollte man dabei nicht aus den Augen verlieren. Abgesehen von ihrem Sauerstoffverzehr bauen Pilze biologische Ausscheidungsprodukte ab, und manche von ihnen können auch durchaus selber der menschlichen Ernährung dienen.

  5. #5 Dampier
    15. September 2016

    Interessanter Artikel, aber noch nicht ganz rund, wie schon bemerkt. Ich hätte gern noch etwas mehr darüber gelesen.

  6. #6 Lercherl
    15. September 2016

    Noch ein Tipp: beschränke dich bei Zahlenangaben auf signifikante Stellen. Bei solchen Abschätzungen reicht 2,7 und 4,1 km/h vollkommen, 2,668 ist irreführend.

  7. #7 Emmygunde Spatz
    15. September 2016

    Ich mag auch ganz kurz ein paar Sätze loswerden:

    Ich mochte die Sätze. Mußte aber recht langsam lesen, weil alles so nah beieinander stand, das empfand mein Auge als nicht so angehm.

    (Und mir fiel bibbernd ein, daß ich mir darüber in der Panik, als ich meinen Beitrag am Abgabetag verfasste und abschickte, keine Gedanken darüber machte…)

    Das Thema fand ich interessant, aber auch mir ging es so, daß der Text endete und ich mit einem : “Hö, wie? Hier ist jetzt Ende?” dasaß.
    Dann las ich es mir nochmal durch.
    Und kam zu dem Entschluß: Da ich die Erzählweise durchaus ansprechend finde, ich zwischendurch staunend da saß, weil ich durchaus gut vorstellbare Gedankenbilder von Pflanzen im All in den Kopf bekam, notiere ich für mich einen gedanklichen “Kükenbonus” in Anbetracht des Autorenalters.

    Der durchweg positiv aufgefaßt werden sollte.
    Ist der Kükenbonus kein “Mitleidsding”.

    Ich finde es toll, wenn sich “jungeMenschen” damit befassen und den Mut haben, einen Beitrag zu einem solchen Schreibwettbewerb ins Rennen zu schicken.

    Mit Grüßen, Frau E. Spatz

  8. #8 Ingo
    15. September 2016

    Es gab bereits in den 80ern und 90ern Versuche in diese Richtung.
    Damals hatte man an Bord eines SpaceShuttels Kresse gezuechtet.
    Google-Stichworte “Shuttelflug STS-61-A und STS-55”

    Kresse waechst schnell genug, dass man sie auf so einer relativ kurzen Mission zuechten konnte.

    Auch damals die Fragestellung “Woher weiss der Samenkorn in der dunklen Erde wo oben und unten ist, und wie entscheidet wo die Wurzel und wo die Blaetter hinwachsen sollen”

    Ergebnis der Forschung damals war wohl mehr oder weniger, dass alles anders ist als man vorher dachte und alle bisherigen Vermutungen ueber den Haufen geworfen werden mussten.

  9. #9 werner
    15. September 2016

    Interessantes Thema.
    Zur Gestaltung: Chemische Formeln ohne Tiefstellung der Zahlen geht gar nicht, das können Boulevardzeitungen machen, aber nicht ein Beitrag in einem Wissenschaftsblog.

  10. #10 Vortex
    15. September 2016

    Ließt sich für mich wie eine Schularbeit, mir fehlt noch der Durchmesser der Innenwand an dem die Pflanzen zylindrisch Rotieren und evtl. zusätzlich, falls man aus dem Fenster in den Weltraum schaut, wie oft nun der gleiche Bildausschnitt pro Minute auftaucht, am besten als übersichtliche Tabelle, für Erde, Mond und Mars,…

    und vmtl. wird einem dann sicher ganz schön schwindlich werden. 😉

    Funktionale Ergänzung zum Anhang:
    (1) Eu:CROPIS: Gewächshäuser für Mars und Mond,
    (2) WAICO: Wie orientieren sich Pflanzen ohne Schwerkraft, Teil 1 und Teil 2

  11. #11 Alex
    15. September 2016

    Ich finde diesen Artikel auch sehr interessant.
    Finde das Ende etwas abgeschnitten bzw. unfertig.
    War das so gewollt ?

  12. #12 Vortex
    15. September 2016

    Ergänzung zu #10:

    Da ist mir noch was interessantes aufgefallen, (od. dazu eingefallen) weil im Text ja Zentrifuge steht, später aber die Eigenrotation des Raumschiffes erwähnt wird.

    Genaugenommen könnte man tatsächlich eine große Zentrifuge einsetzen, ähnlich wie die Trommel einer Waschmaschine, die z.B. hier von starken Permanentmagneten zentriert gehalten wird, wobei dann natürlich keinerlei Verschleißerscheinungen auftreten können.

    Der Vorteil wäre, daß das Raumschiff keinerlei Eigenrotation benötigt und der Ausblick für die Astronauten auch dem eines echten Astronauten würdig wäre. :)

  13. #13 bruno
    15. September 2016

    @werner #9 …besser als wenn durch fehlerhafte formatierung im “nur text” der lesefluss gestört wird…
    😉

  14. #14 Alderamin
    15. September 2016

    Hätte auch gerne etwas mehr erfahren. Wann startet die Mission? Wo wird sich der Satellit aufhalten? Wird nur die Schwerkraft variiert oder auch andere Effekte? Was für ein Boden wird verwendet? Was wird beobachtet und wie? Gibt’s da eine Kamera?

    Bis zum etwas abrupten Ende fand ich’s aber schön geschrieben und bebildert. Wobei ich das Argument nicht ganz nachvollziehen kann, dass man wegen des Schattenwurfs bzw. der Rotation der Planeten Kunstlicht brauche (auch auf der Erde sind die Pflanzen einen halben Tag im Erdschatten und der Mars hat fast die gleiche Tageslänge wie die Erde). Der Satellit wird ja die Erde umkreisen und ca. alle 90 Minuten für 45 Minuten in der Sonne sein, ich denke eher, mit Kunstlicht hat man kontrolliertere Bedingungen (Beleuchtungsdauer, Lichtfarbe, geringere Gefahr der Überhitzung) und kann so ausprobieren, was am besten funktioniert.

    Noch was: spannender als die Umdrehungsgeschwindigkeit in m/s beim Radius 35 cm wäre die Winkelgeschwindigkeit bzw. Zahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit. Bei Erdschwerkraft wären das für die 35 cm rund 1,2 Umdrehungen pro Sekunde, das ist schon sehr flott. Für Mars etwa 0,6 und für den Mond 0,2, also eine Umdrehung in 5 Sekunden.

  15. #15 Alderamin
    15. September 2016

    @myself

    Wo wird sich der Satellit aufhalten?

    Hoppla, das stand drin im Artikel, in 600 km Höhe.

  16. #16 Hendrik Feil
    Stade
    15. September 2016

    Ich bedanke mich für die zahlreiche,konstruktive Kritik und freue mich das ich mit dem Thema auf Interesse gestoßen bin.

    Die Mission EU:CROPIS soll laut DLR im nächsten Jahr starten.

  17. #17 Shoogar
    16. September 2016

    Das war ein schöner Artikel.
    Und nein, mir (subjektiv) fehlte nichts.
    Im knappen Rahmen eines Blogs kann ja nicht alles umfassend beschrieben und erklärt werden.

    Muss auch nicht.
    Ich (wiederum persönlich) mags nämlich gern knapp.

    Eher als Inspiration (so mich das Thema interessiert), mich eingehender auf die Suche (“im Neuland” 😉 ) zu machen.

    Das hat Hendrik geschafft.

    Danke

  18. #18 Vortex
    16. September 2016

    Noch eine Korrektur zu #10:

    Ok, da steht ja doch der Radius,

    Der Radius beträgt 35 Zentimeter, denn die Wurzel der Pflanze wird vermutlich auf einer Kreisbahn mit dem genannten Radius liegen.

    Da hatte ich vmtl. schon von einer Marsmission mit einigen Meter als Durchmesser geträumt. 😉

    Dafür wissen wir nun die genaue Umdrehungszahl pro Sekunde, durch Alderamin unter #14

    Nun eine Hühnerzucht im Weltraum wäre wohl zu grausam, also sollte ein Astronaut doch eher Veganer sein, zumindest für die lange Reise zum Mars und wieder zurück, evtl. wäre noch eine Algenzucht ratsam.

  19. #19 Captain E.
    16. September 2016

    Nun, ich erinnere daran, dass selbst der strengst nach dem Regelbuch lebende Veganer kein Herbivore ist. 😉