Versorgung einer außerirdischen Station mit Nahrung

Einer der Dreh- und Angelpunkte dabei sind zurzeit die astronomischen Transportkosten.
Mit der Inbetriebnahme des Weltraumfahrstuhls wäre das kein Thema mehr, dann könnte man große Nutzlasten kostengünstig ins Weltall transportieren.

Solange der Weltraumfahrstuhl noch nicht in Betrieb ist, sieht das leider ganz anders aus.
Dann müsste sich die Produktion von Nahrung in einer Weltraumkolonie grundsätzlich von der auf der Erde unterscheiden: Sehr wenige Ressourcen müssten möglichst effektiv eingesetzt werden, zumindest teilweise in geschlossenen Kreisläufen.

Zunächst einmal denkt sicherlich niemand an einen Transport von Nutztieren. Das wäre wesentlich zu aufwändig: Die hohe Nutzlast für das Tier und seine Versorgungsgüter würde den Output an Nahrung nicht rechtfertigen.
Der Gedanke an eine Kuh oder ein anderes übliches Nutztier in der Schwerelosigkeit wäre nahezu unvorstellbar: Ein Tierem, das gewohnt ist, auf dünnen, langen Beinen zu stehen, drohte neben der Raumkrankheit noch weiteres gesundheitliches Ungemach, etwas ein hohes Verletzungsrisiko. Die Vorstellung, die Fäkalien eines solchen Tieres in Schwerelosigkeit einzufragen und zu entsorgen, dürfte Herkules´ Leistung in den Ställen des Augias gleichkommen. Und auf dem Mars ginge es dem Tier dann wohl kaum wesentlich besser. Das hohe Gut des Tierwohls verbietet so etwas.
Interessanter wären schnell wachsende Fische oder andere Meeresbewohner: Sie sind die Orientierung im dreidimensionalen Raum eher gewohnt – obwohl auch Fische seekrank werden können, was der Raumkrankheit entspricht. Ein möglichst geschlossener Aquakultur-Kreislauf mit kleinen herbivoren Fischen oder Krebsen wäre dennoch für mich vorstellbar.
Auch terrestrische kleine Wirbellose könnten Nahrung liefern – dann bestünde allerdings wieder das Problem der kulturellen Schranken. Auch wenn Würmer, Maden oder Heuschrecken gute Proteinquellen sind, ist fraglich, ob jeder so etwas äße.

Eine andere Quelle für tierische Proteine wäre die Produktion von In-vitro-Fleisch, also Fleisch aus Zellkulturen von Nutztieren. Den derzeitigen Sachstand zur Produktion von In-vitro-Fleisch fasst diese Anfrage an den Bundestag vom Februar 2018 zusammen: Daran wird geforscht, es ist aber zurzeit noch kein serienreifes Produkt in Sicht.

Rein energetisch erscheint mir die Produktion von Nahrung auf der Basis von Bakterien, Pflanzen oder Pilzen effektiver als die Nutzung von Tieren oder auch In-vitro-Verfahren.

Bildergebnis für Arabidopsis thaliana iss

Space Station Study Seeks How Plants Sense ‘Up’ and ‘Down’ (NASA)

Die Idee, Pflanzen im Weltraum anzubauen, ist gar nicht neu: 1895 spekulierte der legendäre „Vater der Rakete“ Konstantin Tsiolkovsky über orbitale Gewächshäuser “Grezy o Zemle i Nebe” (Dreams of Earth and Sky).
Pflanzen haben ebenfalls erhebliche Probleme mit geringer oder ohne Schwerkraft, dazu gibt es bereits so einige Experimente auf der ISS. Arabidopsis thaliana, die Ackerschmalwand ist die Parade-Versuchspflanze und Lieblings-Modellorganismus der Genetiker, auch im Weltall. 1982 haben sowjetische Kosmonauten an Bord von Salyut 7 damit zum ersten Mal in der Raumfahrtgeschichte Pflanzen ausgesät und zum Wachsen gebracht.

Die NASA hat dann 1995 erstmals mit der Ackerschmalwand im Weltraum experimentiert.
In Prototypen für Mars-Habitate wie der Mars Desert Research Station gibt es auch bereits Treibhäuser im Experimentalstadium für den Einsatz auf anderen Planeten.

Photobioreaktor aus Plastikplatten für die Kultivierung von Mikroalgen (Wikipedia; IGV Biotech)

Aber eigentlich stehen im Vordergrund von Nahrungsproduktion im Weltraum weniger uns vertraute Lebensformen, sondern eher Einzeller wie Algen. Solche Algen werden bereits heute in geschlossenen Algenreaktoren gezüchtet, allerdings noch nicht als eigenständiges Lebensmittel vermarktet. Im Moment sind sie Nahrungsmittel-Ergänzungen, oft mit Mineralien und Vitaminen angereichert. Dabei können Algen noch viel mehr, mit und ohne ihren Eigengeschmack.
Algenreaktoren wären ideal für die Produktion von Nahrungsmitteln mit nur wenigen Ressourcen. Starten könnte solch eine Algenzucht mit wenig Algenmasse, die sich dann schnell vermehrt. Ihre Energie gewinnen Algen als Pflanzen aus dem Sonnenlicht, was auf dem Mars kein Problem wäre. Ein geschlossener Wasserkreislauf wäre wassersparend, außerdem brauchen die Pflanzen noch einige Spurenelemente und Mineralien zum Gedeihen.
2018 führt die NASA umfangreiche Experimente zur Algenproduktion auf der ISS durch, mit dem Ziel, den AstronautInnen frische Pflanzennahrung zur Verfügung zu stellen.

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Kommentare (17)

  1. #1 Ine
    19. August 2018

    “Allerdings ist mittlerweile nachgewiesen, dass Pilze in Raumstationen ausgezeichnet gedeihen – die russische Raumstation MIR hatte ein ganz erhebliches Pilz-Problem und auch die ISS kämpft damit. Dabei handelt es sich in erster Linie um humanpathogene Pilze, die eher weniger zum Verzehr geeignet sind.”

    Ist das nicht der Hauptgrund wieso die Raumstationen nicht für Jahrzehnte in Betrieb bleiben können?
    Würde dieses Problem auch auf einer evtl. Station auf einem anderen Planeten ohne Athmosphäre auftreten?
    Gibt es dafür Lösungsansätze?

    • #2 Bettina Wurche
      19. August 2018

      @Ine: Da bin ich überfragt. Wegen der Bemerkung einiger Kosmonauten bei einem Vortrag bin ich auch nicht sicher, welche politischen Überlegungen dabei noch im Spiel waren. De facto ist die ISS erheblich größer und moderner, die MIR war vielleicht wirklich technisch überholt. Schimmelpilz zu bekämpfen ist schon auf der Erde schwierig: Was den Pilz tötet, ist auch für Menschen giftig. Scheint ein großes Thema zu sein. Hier ist ein Beitrag dazu: http://cosmology.com/SpaceFungi.html
      Ob und welche Lösungsansätze es gibt? Da bin ich überfragt. Das stelle ich mir auf einer Raumstation auch noch viel schwieriger als auf der Erde vor. Ein Kampf Goliath gegen Myriaden von Davids, nahezu aussichtlos.

      PS: Der Beitrag in der “cosmology” sah nicht schlecht aus, aber die Bandenwerbung dieser Zeitschrift irritiert mich sehr

  2. #3 Dampier
    19. August 2018

    obwohl auch Fische seekrank werden können

    Is ja n Ding. Darüber würde ich auch gern mehr wissen 😉

  3. #5 tomtoo
    19. August 2018

    Lustig ist ja wenn die Pilze sich an der Aussenhaut deines Habitas den Bauch vollschlagen.
    http://www.sciencemag.org/news/2016/03/iron-eating-fungus-disintegrates-rocks-acid-and-cellular-knives

    Auch cool wenn sie sich über die Lithium-Ionen Akkus hermachen um sie zu recyceln. Abwohl die neuen erst in zwei Jahren kommen.
    https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2016/pilze-sollen-lithiumionen-akkus-recyceln/

  4. #6 Hubert R.
    20. August 2018

    Wie genau geht eigentlich die Astrobiologie auf das Thema: “Keimungs- und Wachstumsverhalten” von Pflanzen, Pilzen, Bakterien im schwerelosen Weltraum ein ? Wird dies in diversen Grundlagenbücher behandelt ?

    • #7 Bettina Wurche
      20. August 2018

      @Hubert R.: Eher nicht. Die Bücher und Skripts, die ich bislang in der Hand hatte (das ist sicherlich nur ein Bruchteil), fokussieren auf einzellige Lebensformen. Dabei geht es eher um die Entstehung des ursprünglichen Lebens im Weltraum. Ein zweites Themenfeld ist die Planetary Protection: Die Gefahr der Verunreinigung der Erde durch außerirdische Keime/Mikroorganismen/…andere Lebensformen und das Verhindern der Verschmutzung anderer Himmelskörper durch irdische Keime/Mikroorganismen/…andere Lebensformen.
      Das ist übrigens ein basales Anliegen der Astrobiologie, wie Joshua Lederberg in seiner bahnbrechenden Publikation “Signs of Life: Criterion System of Exobiology.” Nature 207, 4492 (3 July 1965): 9-13.schrieb. Ein Meilenstein zur Etablierung des Begriffs „Exobiologie“.
      http://scienceblogs.de/meertext/2015/07/08/892/
      Die von Ihnen angesprochenen Versuche zum Gedeihen von Pflanzen im Weltall gehören eher in die Pflanzenphysiologie und werden eher für Züchtungsfortschritte auf der Erde eingesetzt.
      Die schon recht alten russischen Grundlagen sind nach meiner kürzlichen Recherche ziemlich einzigartig.
      Mehrzellige Organsimen sind in der Astrobiologie eher kein Thema. Das erste Buch, was sich definitiv mit mehrzelligen, intelligenten und kulturbildendne Lebensformen im Weltall beschäftigt, war für mich “Cosmis Zoo” von Herrn Prof. Schulze-Makuch
      http://scienceblogs.de/meertext/2018/03/19/rezension-the-cosmis-zoo-complex-life-on-many-worlds-dirk-schulze-makuch-william-bains/

  5. #8 tomtoo
    20. August 2018

    Ehrlich gesagt bzgl. Radioaktivität habe ich zu Pflanzen nichts gefunden, das nicht erheblich eher für Menschen tödlich wäre. Bin ja auch kein Wissenschaftler, aber bevor ein Blumenkohl auch nur die geringsten Ausfallerscheinungen auf Grund von Strahlung zeigt, wäre ich lieber ganz weit weg.

    • #9 Bettina Wurche
      20. August 2018

      @tomtoo: Viele heutige Nutzpflanzen sind durch radioaktive Strahlung entstanden: In den 50-er Jahren hat man damit Mutationen produziert und so eine große Vielfalt produziert. (Da habe ich keine Quellenangabe, unser Genetik-Prof im studium hatte das erzählt.) Und dann geben Pflanzen selbst Radioaktivität ab: ein besonders bekanntes Beispiel ist die Banane, das Bananendosenäquivalent ist ein besonders beliebtest Beispiel, um 1 µSv zu veranschaulichen : )
      http://scienceblogs.de/meertext/2017/01/18/die-banane-exotische-sehnsuchtsfrucht-vitaminspritze-und-kulturgut-und-radioaktiv/

    • #10 Bettina Wurche
      20. August 2018

      @tomtoo: Zur Auswirkung von Radioaktivität auf Pflanzen (und auch auf Tiere) ist im Kontext mit Tschernobyl recht viel geschrieben worden. Wieweit die Populationen geschädigt oder gesund sind, vermag ich nicht zu beurteilen. Aber “weit weg” ist ganz sicher ein guter Strahlenschutz : )
      https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-11345935

  6. #11 tomtoo
    20. August 2018

    @Bettina
    Keine Ahnung ob das stimmt.
    https://www.spektrum.de/lexika/showpopup.php?lexikon_id=9&art_id=64101&nummer=28866

    Und wenn es nur ein Zehntel ist, will ich trotzdem weit weg sein. Wie sagt @Tobias immer so schön. Ein klasse Strahlenschutz ist Entfernung. ; )
    Die Mutationsrate ist erhöht, aber wenn der Kohl eingeht, bin ich schon lange tod.

  7. #12 tomtoo
    20. August 2018

    Ich meine das war ja die Frage, was würde erhöhte Strahlung für Nahrungspflanzen bedeuten. Und meine bis jetzt gefundene Antwort ist, nichts, da Dosen die für die allermeisten Nahrungspflanzen relativ verträglich sind, für Menschen tödlich sind.

  8. #13 tomtoo
    20. August 2018

    Spannend währe ja die Frage:
    Wenn ich Kohl an der Oberfläche des Mars anbauen könnte(wir vergessen alles ausser die Strahlung ) würde er eingehen? Und ich denke nicht. Für einen Menschen würde man das evtl. nicht empfehlen. Was ja besagt zu Essen hat man, aber drausen rumspazieren wird nicht empfohlen. Was wiederum sagt, ein gewisser Abstandt zum Kohl scheint Empfehlenswert. ; )

  9. #14 tomtoo
    20. August 2018

    @Bettina
    Gleichzeitig. ; )

  10. #15 Bettina Wurche
    22. August 2018

    Nachtrag: Gerade eben bin ich über Twitter auf eine geheime Versuchs-Mars-Kolonie des sowjetischen Raumfahrtprogramms gestoßen:
    https://doctorlinda.wordpress.com/2018/08/22/unearthing-a-bit-of-soviet-space-history/

    Das hört sich ziemlich abgefahren an. Sie hatten geschlossene Systeme für Algentanks und Weizenanbau, die natürlich nicht richtig arbeiteten. Wie in allen anderen Experimenten auch. Ein küsntliches Ökosystem zu installieren scheint wesentlich schwieriger zu sein, als wir uns das normalerwesie so vorstellen.
    Zum Weiterlesen:
    https://de.wikipedia.org/wiki/Biosph%C3%A4re_3

    Bios-3: Siberian Experiments in Bioregenerative Life Support
    https://academic.oup.com/bioscience/article-pdf/…/47-9-575.pdf

    http://www.scinexx.de/dossier-detail-320-10.html

  11. #17 Peter Weismann
    25. August 2018

    Die Angabe von Dosis-Werten ist dann verkehrt, wenn man nicht die Zeit berücksichtigt, innerhalb derer die entsprechende Dosis anfällt.
    Es ist ein gravierender Unterschied, ob 1mSv/Tag oder 1mSv/Jahr gemessen wird.
    Den Dosis/Zeit Quotient nennt man auch Dosisleistung und das ist der Wert, der angibt, “wie heftig” eine Strahlung ist.
    Umgekehrt ist die “Dosisbelastung” für einen Mann/Frau/Es dann das Integral der Dosisleistung über die Zeit und das ergibt dann irgendeinen Wert in Sv und dafür gibt es genaue Grenzwerte, wieviel ein Arbeiter in der EU in seiner Arbeitszeit akkumulieren darf. Ich glaube, dass Piloten deshalb so früh in Rente geschickt werden und vermutlich gilt das auch für “Raumflieger”, weil sie eben das erlaubte Maximum an Dosis innerhalb recht kurzer Zeit erreicht haben (verglichen an “normalen Erdenbürgern”).

    Die biologische Wirksamkeit einer solchen Strahlung ist mit diesen Werten nicht erfasst. Ob ein Auge oder eine Hand bestrahlt wird, hat eben auch unterschiedliche Auswirkungen, oder unterschiedliches Gefährdungspotenzial, selbst bei gleicher Dosisleistung und gleicher Art der Strahlung.

    Aber auch unterschiedliche Art von Strahlung kann deutliche Unterschiede bedeuten, weshalb die Angabe irgendeines Dosiswertes eigentlich nichts aussagt.

    Ich habe mir nicht die Mühe gemacht, alle verlinkten Beiträge zu lesen. Möglicherweise wird dort dann besser differenziert.

    Bei einem Flug zum Mars ist eben die Zeit eine dramatische Herausforderung. Das dauert so lange, dass dann auch eine eher “unkritische Strahlung” durchaus gefährlich werden kann, von den besonders hohen Strahlungs-Werten bei außergewöhnlichen Ereignissen (und anderen möglichen Risiken) mal ganz abgesehen.

    Sehr wichtig erscheint mir indessen die Erkenntnis, dass wir noch immer nicht in der Lage sind, eine künstliche “Ökosphäre” zu erzeugen. Wir verstehen einfach noch immer nicht, wie Natur funktioniert. Das sollte uns zur Vorsicht mahnen, denke ich.