China hat 2019 eine kleine Farm auf dem Mond errichtet. Wie ist das gelungen?

Am 3. Januar 2019 landete der chinesische Lander Chang’e-4 auf der anderen Seite des Mondes und setzte den Yutu-Rover aus. Zusätzlich zu seinen vielen Instrumenten trug der Rover ein wichtiges wissenschaftliches Experiment, die sogenannte Biological Experiment Payload (BEP). In den nächsten acht Tagen führte diese Nutzlast ein wichtiges Experiment durch, bei dem sie versuchte, die ersten Pflanzen auf dem Mond zu züchten. Zur Nutzlast gehörten Baumwolle, Kartoffeln, Arabidopsis und Rapssamen sowie Fliegeneier, Hefe und 18 ml (0,6 Flüssigunzen) Wasser, das unter konstantem Atmosphärendruck gehalten wurde.

Die Ergebnisse dieses Experiments werden dazu beitragen, das zukünftige Bioregenerative Lebenserhaltungssystem (BLSS) zu informieren, das sich für Lebensräume und Missionen außerhalb der erdnahen Umlaufbahn (LEO) als lebenswichtig erweisen wird. Ein Team von Wissenschaftlern aus China hat kürzlich eine Studie veröffentlicht, in der das Experiment, seine Ergebnisse und seine möglichen Auswirkungen auf zukünftige Missionen zum Mond, zum Mars und zu anderen Orten im Weltraum untersucht wurden. Sie kamen zu dem Schluss, dass das Experiment zeigte, dass Pflanzen trotz intensiver Strahlung, geringer Schwerkraft und anhaltendem intensiven Licht auf dem Mond wachsen können.

Das Team bestand aus Forschern des Center of Space Exploration, des College of Aerospace Engineering und des Key Laboratory of Biology and Genetic Breeding for Tuber and Root Crops der Chongqing University sowie der University of Electronic Science and Technology of China und der Labor für Weltraumbiologie an der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften in Chengdu.

Die Ergebnisse ihrer Analysen wurden in zwei Artikeln veröffentlicht, die am 20. Juni erschienen sind Wissenschaft und Technologie der Mikrogravitation und am 17. Oktober in Acta Astronauticajeweils.

Der Anbau von Pflanzen in Mond-, Mars- und Weltraumlebensräumen ist aus vielen Gründen unerlässlich. Sie stellen nicht nur eine Nahrungsquelle dar und reduzieren den Bedarf an Nachschubmissionen, sondern entfernen auch Kohlendioxid und liefern frischen Sauerstoff, helfen beim Recycling von Abfällen und tragen zum Wohlbefinden der Besatzungen bei. Und während herkömmliche Umweltkontroll- und Lebenserhaltungssysteme (ECLSS) auf mechanischen Komponenten basieren, die irgendwann kaputt gehen und ersetzt werden müssen, kann sich ein bioregeneratives System im Laufe der Zeit selbst erneuern.

Dies macht die BLSS-Technologie ideal für Missionen in den Weltraum, wo es nur wenige Möglichkeiten für Nachschub gibt. Seit Jahren führen Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) Experimente mit Pflanzenwachstum und Algen durch – wie das Gemüseproduktionssystem (Veggie), das Passive Orbital Nutrient Delivery System (PONDS), das Advanced Plant Habitat (APH) und andere der Plant Habitat Avionics Real-time Manager (PHARM). Es ist jedoch noch ungewiss, wie sich die natürliche Umgebung außerirdischer Körper auf die Funktion eines BLSS auswirkt.

Der Hauptautor Xie Gengxin, Professor für Umwelttechnik am Center of Space Exploration der Universität Chongqing, ist auch der Chefdesigner des BEP. Wie er Universe Today per E-Mail erklärte, ist die Fähigkeit, Pflanzen im Weltraum zu kultivieren, ein notwendiger Schritt zur Errichtung von Stützpunkten außerhalb der Erde:

„Bei der Errichtung einer Überlebensbasis auf dem Mond, dem Mars und anderen außerirdischen Planeten ist es unmöglich, mehr Dinge von der Erde zu transportieren. Die Notwendigkeit der In-situ-Nutzung von Ressourcen für die Produktion von Sauerstoff und Nahrungsmitteln ist besonders wichtig und wird berücksichtigt.“ Der erste Schritt zum Aufbau einer Überlebensbasis, daher sind Pflanzenpflanzexperimente sehr wichtig.“

Das erste biologische Experiment

Die an der Universität Chongqing entwickelte BEP-Nutzlast war das erste biologische Experiment, das von Menschen auf der anderen Seite des Mondes durchgeführt wurde. Der Zweck des Experiments bestand darin, die Auswirkungen der Mondoberflächenbedingungen (geringe Schwerkraft, intensive Strahlung und intensives Licht) auf das Wachstum und die Gesundheit terrestrischer Organismen zu bewerten. Die Nutzlast wog 2,608 kg (5,75 lbs) und war 198 mm hoch und 173 mm im Durchmesser (7,75 x 6,8 Zoll) und bot ein Gesamtvolumen von 0,82 Litern und 0,42 Liter Bioaktivitätsraum. Durch ein Führungsrohr wurde Sonnenlicht eingelassen, was den Pflanzen im Inneren die Photosynthese ermöglichte.

Diese sechs Komponenten stellten die Produzenten, Konsumenten und Zersetzer dar, also alle Elemente, die für ein funktionierendes Ökosystem notwendig sind. Die Pflanzen sollten durch Photosynthese Sauerstoff und Nährstoffe produzieren und von den Fruchtfliegen ernährt werden. In der Zwischenzeit würde die Hefe als Zersetzungsmittel fungieren und Abfälle von Fliegen und abgestorbenen Pflanzen verarbeiten, um zusätzliche Nährstoffe für das Ökosystem zu schaffen. Wie Xie sagte, war dieses Experiment das erste seiner Art und sollte Bedenken der Wissenschaftler hinsichtlich der Mondumgebung ausräumen:

„Vor unserem Experiment hatten viele Wissenschaftler Bedenken, dass Pflanzen unter der intensiven Lichtintensität und den intensiven Strahlungsbedingungen des Mondes nicht sprießen könnten, deshalb haben wir bewusst das natürliche Sonnenlicht auf dem Mond für die Photosynthese genutzt und nicht künstliches Licht Biologische Nutzlasten waren nicht zum Schutz vor Strahlung konzipiert, was beweist, dass Pflanzen auch unter den intensiven Strahlungsbedingungen des Mondes wachsen können.“

Innerhalb weniger Stunden nach Erreichen der Oberfläche wurde die Temperatur der Biosphäre auf 24 °C (75,2 °F) eingestellt und die Samen wurden bewässert. Am 15. Januar wurde berichtet, dass Baumwoll-, Raps- und Kartoffelsamen gekeimt seien, und Bilder des Inneren des BEP wurden veröffentlicht.

„Diese Nutzlast enthält Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen, die ein Mikroökosystem in einer geschlossenen Umgebung schaffen“, sagte Xie Gengxin damals. „Wir lenken das Sonnenlicht in das Innere der Dose, das viel stärker ist als das auf der Erde. Wir werden ihre Photosynthese bei starker Sonneneinstrahlung untersuchen und mit dem Experiment auf der Erde vergleichen.“

Ergebnisse

Am folgenden Tag trat das Experiment in eine neue Phase ein, als die Mondnacht einsetzte, die Außentemperaturen auf -52 °C (-62 °F) sanken und es dem Experiment nicht gelang, eine angenehme Temperatur aufrechtzuerhalten. Während die Temperaturen weiter sanken und schließlich -190 °C (-310 °F) erreichten, wurde mit dem Experiment die Langlebigkeit des BEP weiter getestet. Schließlich wurde berichtet, dass die gekeimten Pflanzen abgestorben waren, dass die Kartoffeln nicht keimten und dass die Fruchtfliegen nicht schlüpften. Die Gesamtlaufzeit des Experiments betrug neun Tage statt der geplanten 100. Doch wie Xie andeutete, wurden wertvolle Informationen gewonnen. Xi sagte:

„Obwohl unsere Pflanzen unter den natürlichen Sonnenlicht- und Strahlungsbedingungen des Mondes wachsen können, wurde die Sicherheit dieser Pflanzen nicht bewertet. Ob sie gesund sind oder nicht, bedarf weiterer Forschung. Unsere Experimente zeigen auch, wie schwierig es ist, auf dem Mond zu überleben.“ und wie man die Mondnacht überlebt. Unsere ersten biologischen Experimente auf dem Mond für die Menschheit zeigen voll und ganz, dass auf dem Mond ein regeneratives Ökosystem aufgebaut werden kann, um eine menschliche Basis zu schaffen.“

Für die Zukunft planen Xie und seine Kollegen die Durchführung weiterer Experimente mit stabilen Lavaröhren, die auch China als potenziellen Basisstandort in Betracht zieht. „Zum ersten Mal haben wir sechs Arten von der Erde zum Mond geschickt, um biologische Experimente durchzuführen, was einen wichtigen Meilenstein bei der Errichtung einer Basis für das menschliche Überleben auf dem Mond darstellt“, sagte er. „Unser Team forscht derzeit daran, wie man mithilfe von Lavaröhrenhöhlen auf dem Mond eine menschliche Basis und Weltraumfarmexperimente errichten kann.“

In weniger als zwei Jahren will die NASA zum ersten Mal seit der Apollo-Ära wieder Astronauten auf den Mond schicken. China hofft, das Gleiche zu erreichen, indem es bis 2030 die ersten Taikonauten in die südliche Polarregion des Mondes schickt. Die langfristigen Ziele dieser und anderer Organisationen – wie der ESA, Roskosmos und der Indischen Weltraumforschungsorganisation (ISRO) – sind nichts Geringeres die Errichtung eines permanenten menschlichen Außenpostens auf dem Mond, der Forschung, Erkundung, internationale Zusammenarbeit und Missionen in den Weltraum ermöglichen soll. Ein wichtiger Aspekt dabei wird die Nutzung lokaler Ressourcen sein, um den Bedürfnissen der Besatzungen gerecht zu werden.

Eine der besten Möglichkeiten, eine stetige Versorgung mit Nahrungsmitteln, Atemluft und die Gesundheit der Besatzung (körperlich und geistig) sicherzustellen, besteht darin, Lebensräume zu schaffen, in denen Gewächshäuser und Pflanzenexperimente untergebracht werden können. Kurz gesagt: Astronauten müssen Elemente der Biosphäre der Erde mitbringen, um in außerirdischen Umgebungen leben, arbeiten und gedeihen zu können. Die Lehren aus dieser Forschung werden dazu beitragen, den Weg für jeden zu ebnen, der folgen möchte.