Wollen Sie frische Lebensmittel im Weltraum? NASA setzt auf LEDs

Pflanzen im Weltraum mögen etwas weit hergeholt erscheinen, aber die NASA betrachtet dieses Thema ebenso wie die Astronauten als ernst zu nehmend. Während das berühmte dehydrierte „Astronauten-Essen aus der Tube“ noch einige Zeit bei uns bleiben wird, handelt es sich nicht um die gleiche Nahrung, die Astronauten in den 60er Jahren hatten, als sie zum Mond reisten, sondern um eine stark verbesserte Version, bei der die Ernährung im Vordergrund steht (Abbildung 1). Ich hoffe, es schmeckt auch gut, denn es könnte durchaus die Hauptnahrungsquelle im Weltraum sein, vielleicht sogar für die Reise zum Mars, die voraussichtlich in den 2030er Jahren stattfinden wird. Bis dahin wird es jedoch viele Verbesserungen und mögliche Alternativen geben.

Abbildung 1: Traditionelles dehydriertes „Astronauten-Essen aus der Tube“ hat sich seit den 60er Jahren verbessert, aber die Forschung über den Einsatz von LEDs für den Anbau von frischem Gemüse im Weltraum ist vielversprechend. (Bildquelle: NASA)

Um einen Einblick in die Zukunft der Weltraumnahrung zu bekommen, besuchte ich das „VEGGIE“-Labor im Kennedy Space Center der NASA in Florida, um mir die neuesten Entwicklungen in der kosmischen Küche anzusehen. Dort wurde ich von Dr. Gioia Massa begrüsst, einer Biowissenschaftlerin für das VEGGIE-Programm der NASA, ein Gemüseanbauprojekt auf der Internationalen Raumstation (ISS) (Bild 2).

Abbildung 2: Die NASA unterhält ein „VEGGIE“-Programm am Kennedy Space Center (KSC) unter der Leitung von Dr. Gioia Massa (rechts). Dieses Programm ist ein laufendes Gemüseanbauprogramm auf der ISS. (Bildquelle: Loretta Taranovich)

Warum und wie man Gemüse im Weltraum anbaut

Wie ich bereits erwähnt habe, werden die Astronauten ihre Mahlzeiten nach wie vor aus der Tube essen. Aber vielleicht haben sie bald auch etwas Frisches und Vertrautes wie ein frisch gewachsenes Stück Salat. Das ist wichtig: Astronauten haben mir gegenüber bemerkt, dass dieser kleine Luxus von etwas Frischem das Aussehen, das Gefühl und den Duft einer vertrauten Mahlzeit mit sich bringt, was ihr Esserlebnis erheblich verbessert.

Um im Weltraum frisches Gemüse anzubauen, hat die NASA auf die bescheidene LED zurückgegriffen (Abbildung 3). LEDs sind in diesem Zusammenhang nützlich, weil sie konzentrierte Energie bei den verschiedenen Wellenlängen des Spektrums liefern können, die dem Pflanzenwachstum förderlich sind. LEDs erzeugen auch nur sehr wenig Wärme, so dass sie auf engem Raum in der Nähe der Gemüsepflanzen platziert werden können.

Abbildung 3: Forschungen der NASA haben ergeben, dass LED-Beleuchtung eine optimale Lichtquelle für kräftiges Pflanzenwachstum im Weltraum ist. (Bildquelle: Loretta Taranovich)

Während auf der Erde schon seit einiger Zeit künstliche Beleuchtung für das Pflanzenwachstum eingesetzt wird, ist das Pflanzenwachstum im Weltraum eine weitaus größere Herausforderung. Im Weltraum müssen künstliche Beleuchtung und Ventilatoren „genau richtig“ montiert werden, um Sonne und Wind nachzubilden. Auch Zuverlässigkeit und Haltbarkeit sind für die Raumfahrt von entscheidender Bedeutung, weshalb LEDs ideal für lange Weltraummissionen, wie z.B. zum Mars, geeignet sind.

Die Rolle der verschiedenen LED-Wellenlängen

LEDs mit spezifischen Wellenlängen bieten ihre eigenen Vorteile:

Rot (630 bis 660 Nanometer (nm)): Unverzichtbar für das Wachstum der Stängel, sowie für die Ausdehnung der Blätter. Diese Wellenlänge reguliert auch die Blüte, die Ruheperioden und die Samenkeimung.

Blau (400 bis 520 nm): Dies muss sorgfältig mit Licht in anderen Spektren gemischt werden, da eine Überbelichtung mit Licht dieser Wellenlänge das Wachstum bestimmter Pflanzenarten hemmen kann. Licht im blauen Bereich beeinflusst auch den in der Pflanze vorhandenen Chlorophyllgehalt sowie die Blattdicke.

Grün (500 bis 600 nm): Früher dachte man, dass dies für Pflanzen nicht notwendig sei, aber neuere Studien zeigen, dass diese Wellenlänge durch dicke obere Kronendächer dringt, um die Blätter darunter zu unterstützen.

Fern-Rot (720 bis 740 nm): Auch dieses scheint durch dichte obere Blattkronen, um das Wachstum der Pflanzen unten zu unterstützen. Darüber hinaus verkürzt die Einwirkung von IR-Licht die Zeit, die eine Pflanze zur Blüte benötigt. Ein weiterer Vorteil von fernrotem Licht ist, dass Pflanzen, die dieser Wellenlänge ausgesetzt sind, dazu neigen, größere Blätter zu produzieren als diejenigen, die nicht Licht in diesem Spektrum ausgesetzt sind.

NASA-Wissenschaftler haben auch herausgefunden, dass die Einbeziehung von weißem LED-Licht in LED-Arrays dazu dient, sicherzustellen, dass Pflanzen, die in Innenräumen kultiviert werden, die gesamte photosynthetisch aktive Strahlung erhalten, die sie benötigen, um ihre Gesundheit, ihr Wachstum und ihren Ertrag im Weltraum zu optimieren.

OSRAM arbeitet bereits eng mit der NASA am Konzept der Pflanzenzucht im Weltraum. Das LED-Beleuchtungssystem Phytofy ist ein einzigartiges, abstimmbares LED-Beleuchtungssystem für den Gartenbau, das von UV bis Fernrot reicht und über Echtzeit-Steuerungs- und Zeitplanungsfunktionen für jeden einzelnen Kanal verfügt (Abbildung 4). Dieses kalibrierte System ist für die Durchführung von Lichtbehandlungen mit unterschiedlichen Spektren, Wellenlängen und Intensitäten für die Gartenbauforschung konzipiert. Phytofy ist die perfekte Wahl für die Forschung und Entwicklung von pflanzenspezifischen Beleuchtungsrezepten. Die Lichtsteuerung ist über eine grafische Benutzeroberfläche verfügbar. Das System hilft der NASA bei der Feinabstimmung der LED-Eigenschaften für den Weltraum mit der optimalen Farbe, Dauer und Intensität der LED-Beleuchtung für maximales Pflanzenwachstum und maximale Gesundheit der Pflanzen.

Abbildung 4: OSRAM arbeitet mit der NASA an seinem Phytofy-System, um die optimale LED-Farbe, Dauer und Intensität für das Pflanzenwachstum zu bestimmen. (Bildquelle: NASA)

Obwohl ein Großteil der NASA-Forschung hier auf der Erde durchgeführt wird, wurden die LEDs zur abschließenden Prüfung zur ISS geschickt. Kommerzielle LEDs können letztendlich von einer Vielzahl von Unternehmen für den Einsatz im Weltraum qualifiziert werden.

Bewässerung im Weltraum

Natürlich brauchen Pflanzen Wasser. Dazu sitzt jeder Pflanzensamen in einer individuellen „Wurzelmatte“ oder einem individuellen „Kissen“ und Wasser wird individuell zugeführt (Abbildung 5). Im Inneren jedes Kissens befindet sich Arcillit, ein festes Wachstumssubstrat, das sich als das beste für das Wachstum von Pflanzen im Weltraum erwiesen hat. Es gibt ein Schaumstoffpolster, das dazu beiträgt, das Arcillit-Wurzelmedium zurückzuhalten und die Wurzeln daran zu hindern, unbeabsichtigt in die LED-Leuchten hineinzuwachsen.

Abbildung 5: Dr. Massa bei der Einrichtung des Wasserzufuhrsystems für die Pflanzen. (Bildquelle: Loretta Taranovich)

Wasser und Wachstumshöhe werden während des gesamten Wachstumszyklus überwacht, danach wird das Gemüse geerntet und ein weiterer Wachstumszyklus gestartet.

Fazit

Der Weltraum ist selbst in den besten Zeiten eine raue Umgebung, so dass alles, was die NASA tun kann, um ihn komfortabler zu machen, von der nächsten Generation von Astronauten, die sich immer weiter von der Erde entfernen, sehr geschätzt werden wird. In Zusammenarbeit mit Unternehmen wie OSRAM scheint es wahrscheinlich, dass die Pflanzenwissenschaftler der NASA in der Lage sein werden, Pflanzen im Weltraum anzubauen. Es scheint eine Kleinigkeit im Gesamtkonzept der Dinge zu sein, aber es wird den mutigen Entdeckern die dringend benötigte Nahrung, den Geschmack und das Gefühl der Heimat geben.

Ich persönlich kann es kaum erwarten, die nächsten Errungenschaften bei der Nahrungsmittelversorgung im Weltraum zu sehen. Vielleicht Pizza?