Weltraumgemüse

Bis Raumschiffe in unendliche Weiten oder auch nur zum Mars aufbrechen können, sind noch viele Probleme zu lösen – nicht zuletzt so profane wie das der Umwandlung von Urin in Dünger.

von Sascha Karberg

Bis 2030 will die NASA Astronauten auf den Mars bringen. Ein hochgestecktes Ziel, denn auch wenn die Raketentechnik dazu ohne Zweifel in der Lage ist, weiß bislang niemand, wie sich Schwerelosigkeit und andere Bedingungen in der Raumkapsel auf die Physiologie der Astronauten auswirken würden. Bis zu 600 Tage würde allein der Hinflug dauern, länger als Menschen bislang in der Internationalen Raumstation ausgeharrt haben, deren Besatzung nach höchstens sechs Monaten ausgetauscht wird. Und selbst die Erfahrungen, die Raumfahrer auf solch kurzen Raumflügen sammeln, werfen viele Fragen und technische Probleme auf, die vor einem Marsflug beantwortet werden müssen. Woher soll das Trinkwasser für eine so lange Reise kommen? Wohin mit dem Urin? Müssen sich die Astronauten ihr frisches Gemüse selbst anbauen? Wie wachsen Tomaten in der Schwerelosigkeit?

Mini-Gewächshaus in der Rakete

Ein paar dieser Fragen soll Anfang 2017 eine Weltraummission des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) beantworten. Eine Trägerrakete vom Typ Falcon 9 wird von der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien den Kompaktsatelliten Eu:Cropis in eine Umlaufbahn bringen. Darin stecken in einem Metallzylinder von etwa 80 Zentimetern Höhe und Durchmesser Tomatenpflanzen, die innerhalb eines Jahres vom Samen bis zur Fruchtreife wachsen sollen. Bakterien und Algen sollen währenddessen den dafür nötigen Dünger aus Urin herstellen – eine Recycling-Idee, die unter anderem von Michael Lebert vom Lehrstuhl für Zellbiologie der FAU stammt.

„Das wird der Oberhammer“, sagt der Biologe begeistert, der schon seit 15 Jahren an Lebenserhaltungssystemen bastelt und den Tomaten-Bakterien-Algen-Verbund gemeinsam mit Hartmut Müller vom Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Bremen und Missionsleiter Jens Hauslage vom DLR in Köln entwickelt hat. In den zwei unabhängigen Gewächshäusern, die in dem Zylinder platziert sind, soll die Tomatensorte „Micro-Tina“ wachsen. Ein Tank beherbergt die einzellige Alge Euglena gracilis, ein weiterer hält das nötige Wasser vor. Das Besondere des Systems ist, dass der Dünger vor Ort hergestellt wird – aus Urin. Zwar handelt es sich bei dieser Mission noch um künstlichen Urin, doch dahinter steckt die Idee, bei einer künftigen Marsmission den Harn der Astronauten zu nutzen. „Wir wollen nicht, dass der Urin der Astronauten entwässert wird und das darin enthaltene Phosphat und der Stickstoff einfach weggeschmissen werden“, sagt Lebert. „Wir wollen daraus etwas machen, was sowohl für die physiologische als auch die psychologische Gesundheit der Astronauten von großer Bedeutung sein kann. Wir wollen ein Stück Natur von der Erde mitschicken.“

Das Experiment ist so beschaffen, dass dem kleinen Tomaten-Ökosystem Urin zugeführt wird, der mithilfe von Bakterien zu Nitrat abgebaut wird. Das wiederum kommt den Tomaten als Dünger zugute. „Das Problem dabei ist, dass dabei auch Ammoniak entsteht, das für Pflanzen giftig ist“, sagt Lebert. „Die Alge Euglena gracilis, mit der wir experimentieren, kann Ammoniak verarbeiten.“ Je nachdem, wie sich Euglena im All als Ammoniak-Fresser bewährt, könnten die Algen auch bald auf irdischen Äckern helfen. „Die Gülle, die auf Felder ausgefahren wird, enthält auch Ammoniak“, sagt Leberts Kollege Jens Hauslage vom DLR. Zwar können auch Bakterien den unangenehm riechenden und giftigen Stoff abbauen, aber das dauert einige Zeit. Hauslage hofft, dass das Zusammenspiel mit den Algen die Belastung der Böden reduzieren und mehr Nitrat zur Verfügung stellen könnte.

Experiment in der Schwerelosigkeit

An Bord der Raumkapsel wird jedoch nicht nur über Urinverwertung, Düngerproduktion und optimale Tomatenaufzucht geforscht. Lebert interessiert an dem Experiment auch, wie seine Algen auf die Schwerelosigkeit reagieren – Forschung, die für die Gesundheit von Astronauten von entscheidender Bedeutung ist: „Auch menschliche Zellen nehmen Gravitation wahr, zum Beispiel die weißen Blutkörperchen“, sagt Lebert. Daraus erwächst ein gravierendes Problem, denn Erfahrungen haben gezeigt, dass das Immunsystem von Astronauten immer schlechter funktioniert, je länger sie sich in der Schwerelosigkeit aufhalten. „Vor allem die Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, versagen auf Dauer den Dienst.“ Aber wie können diese Zellen, die ununterbrochen durch die Blutgefäße gepumpt und umhergeschleudert werden, überhaupt die Schwerkraft messen?

„Man muss sich die Zelle wie einen Luftballon vorstellen, der mit Salzwasser gefüllt ist“, erklärt Lebert. „Wenn man den Ballon im Swimmingpool am Nippel festhält, dann sackt er aufgrund der Schwerkraft nach unten aus.“ Die Richtung, in die die Zellmembran einer Immunzelle aussackt, ist für sie also „unten“. Bleibt dieser Reiz aus, sind die Zellen verwirrt. Wie genau die Zellen die Schwerkraft spüren, ist jedoch noch kaum erforscht. „Wenn man den Mechanismus kennen würde, hätte man vielleicht auch Mittel, den Astronauten zu helfen“, hofft Lebert. Dazu will er erst einmal verstehen, wie die Euglena-Alge die Schwerkraft misst. Modernste molekularbiologische Techniken fliegen deshalb im Satelliten mit, „damit wir nachschauen können, welche molekularen Prozesse in den Lebewesen ablaufen.“ Deshalb wird der Versuchsaufbau im Zylinder während der Allmission um seine Längsachse rotieren, um so per Fliehkraft verschiedene Schwerkraftstärken zu simulieren. „Wir wollen testen, wie die Algen und die Tomaten auf Schwerelosigkeit, Mondschwerkraft und Marsschwerkraft reagieren.“

Für Lebert und die Euglena-Algen ist es nicht die erste Allmission. Seine Arbeitsgruppe hat bereits Experimente in den russischen und chinesischen Satelliten Foton und Shenzhou und in der Internationalen Raumstation (ISS) mitgeschickt. Lebenserhaltungssysteme, sogenannte „Controlled Environmental Systems“ wie das Tomaten-Bakterien-Algen-Experiment, entwickelt das Team in Zusammenarbeit mit der Universität Hohenheim und der Münchner Firma Kayser-Threde. „Diese Systeme sind das Ergebnis einer faszinierenden Kombination von Hardware- sowie Softwareentwicklung und dem genauen Verständnis der Biologie von Euglena, aber auch Fischen, Schnecken, Bakterien und Höheren Pflanzen“, sagt Lebert.

So hochfliegend Leberts Experimente sind, sie haben auch ganz bodenständigen Nutzen. Mit dem Bakterienfilter, der in dem System steckt, lässt sich Schmutz- in Trinkwasser verwandeln. „Pro Tag sterben mehrere tausend Babys allein an verschmutztem Wasser“, sagt Lebert. Der Bakterienfilter kann Schmutzwasser so weit reinigen, dass damit Pflanzen versorgt werden können. „Und wenn wir das mit Algen koppeln, dann werden auch alle möglichen Schwermetalle aus dem Wasser entfernt.“

Bis zum Start der Rakete 2017, bei dem Lebert 500 Meter entfernt im Kontrollzentrum sitzen wird, ist noch viel zu tun. Jede Kleinigkeit des Experiments muss vorbereitet sein, und die Tests müssen vollautomatisch funktionieren. „Da wird ein Stück von uns selbst mit nach oben fliegen.“

Neugierig geworden?

Dieser Text erschien zuerst in unserem Forschungsmagazin friedrich zum Thema Licht. Lesen Sie im friedrich Nr. 114, warum die letzten Worte Goethes für die Wissenschaft ein Auftrag sind, was Licht ist, woher es kommt, warum wir es sehen, was Licht mit uns macht.

Weitere Beiträge aus dem Magazin finden Sie auch hier im Blog, unter dem Stichwort „friedrich“.