Was das CEA von den Pflanzenwachstumsexperimenten der NASA lernen kann

Im Rahmen ihres offiziellen Technologietransferprogramms veranstaltete die NASA kürzlich ein Webinar, das sich mit den neuesten aufregenden Technologien und Innovationen im Bereich des Pflanzenwachstums befasste, die aus dem Space Crop Production Lab im Kennedy Space Center stammen.

Das Space Crop Production Lab ist ein Pflanzenverarbeitungsbereich, der aus zahlreichen Forschungslabors besteht, die mit hochmodernen Pflanzenwachstumskammern ausgestattet sind, die die Umgebung der Internationalen Raumstation (ISS) simulieren können. Die Teams hier wenden ein breites Spektrum akademischer Disziplinen an, um ein Problem zu lösen: Wie kann man im Weltraum Pflanzen anbauen?

Im Rahmen des Webinars erläuterte Jacob Torres, Technical Horticultural Scientist am Space Crop Production Lab, die neuesten Forschungsergebnisse und Technologien zur Lebensmittelproduktion, die bei der NASA entwickelt werden.

Auf den ersten Blick mögen diese Experimente keine offensichtliche Verbindung zu der Art und Weise haben, wie wir auf der Erde Pflanzen anbauen; die neuen Technologien und Methoden der NASA könnten jedoch einen tiefgreifenden Einfluss auf die Landwirtschaft in kontrollierter Umgebung (CEA) haben - und dazu beitragen, einige der größten Herausforderungen dieser Anbaumethode zu lösen.

In diesem Beitrag werfen wir einen genaueren Blick auf einige der größten Probleme, mit denen CEA heute konfrontiert ist, und darauf, wie die Pflanzenwachstumstechnologien der NASA dazu beitragen könnten, die Zukunft des Pflanzenanbaus auf der Erde zu gestalten.

Minimierung zeit- und arbeitsintensiver Prozesse

Astronauten haben eine lange Liste von Aufgaben und Aktivitäten, die du täglich erledigen müssen. Deshalb haben sich die Teams des Space Crop Production Lab darauf konzentriert, Anbausysteme zu entwickeln und zu optimieren, die der ISS-Besatzung nicht viel Zeit oder anhaltende Anstrengungen abverlangen.

Eine der revolutionärsten Lösungen, die während des Webinars diskutiert wurde, ist das Passive Porous Tube Nutrient Delivery System (PPTNDS). Inspiriert von einem aktiven PTNDS-System, das von Dr. Tom Dreschel entwickelt wurde, sowie von der Hydrokultur und anderen in der CEA verwendeten Methoden, wurde das PPTNDS so angepasst, dass es keinen Strom benötigt und keine beweglichen Teile hat.

Das PPTNDS nutzt stattdessen die Kapillarkraft des Wassers und die Evapotranspiration in einem Kreislaufsystem, das die Nährstoffe passiv an die wachsenden Pflanzen verteilt. Beim Vergleich der Ergebnisse mit einem anderen Anbausystem, einem hydroponischen Nutrient Film Technique (NFT)-System, betrug die essbare Biomasse des PPTNDS zwei Drittel des gesamten NFT-Ertrags - obwohl das PPTNDS weit weniger menschliche Interaktion erfordert.

Dies hat spannende Auswirkungen auf CEA. Obwohl die in den CEA-Anbaugebieten eingesetzte Technologie es den Landwirten bereits ermöglicht, früher zeitaufwändige Messungen von Pflanzengesundheitsparametern wie z.B. dem pH-Wert innerhalb von Sekunden vorzunehmen, ist die Notwendigkeit der Interaktion von Arbeitskräften vor Ort immer noch eine große Herausforderung.

Nicht nur für die kontinuierliche Wartung des CEA-Standortes wird Personal benötigt, sondern auch für die Wartung, Kalibrierung und Fehlerbehebung der Geräte vor Ort muss das Personal ausreichend geschult sein. Der Gedanke, dass die NASA dabei ist, Anbausysteme zu entwickeln, die die menschliche Interaktion auf ein Minimum reduzieren oder sogar ganz eliminieren, könnte den CEA-Züchtern helfen, die mit der Arbeit verbundenen Kosten zu senken, insbesondere in Verbindung mit bestehenden Automatisierungsanlagen, die es den Züchtern ermöglichen, Parameter zu überwachen und ihre Einstellungen aus der Ferne anzupassen.

Sagen du uns: Wie würde ein passives System wie PPTNDS das Team an Ihrem derzeitigen CEA-Standort verändern? Lassen du es uns in den Kommentaren unten wissen.

Einsparung des Energieverbrauchs

Während das Weltraumlabor für Pflanzenproduktion auf der Erde Zugang zu der gesamten Energie hat, die für den Betrieb der verschiedenen Anbausysteme benötigt wird, gilt dies nicht für die Besatzung der ISS. Stattdessen stehen nur eine begrenzte Anzahl von Ressourcen und Geräten zur Verfügung, weshalb ein weltraumgestütztes Anbausystem nachhaltig sein muss und wenig oder gar keine Energie benötigt. Da das PPTNDS keinen Strom und keine beweglichen Teile benötigt, wurde es als zweckmäßige, nachhaltige Lösung entwickelt.

In einem kürzlich erschienenen Bericht verglich der World Wildlife Fund (WWF) die Auswirkungen der traditionellen Feldlandwirtschaft mit denen von CEA-Standorten in bestimmten Regionen der Vereinigten Staaten. Insgesamt hatten die CEA-Standorte die größeren Umweltauswirkungen - und das war fast ausschließlich auf den hohen Energieverbrauch zurückzuführen. Das liegt daran, dass für den Betrieb von CEA-Anbaugebieten, die energieintensive Beleuchtungsanlagen, Klimaanlagen und Pumpen enthalten, große Mengen an Strom benötigt werden.

Da dies eine der größten Herausforderungen ist, die die CEA-Technologie bewältigen muss, um in den kommenden Jahren nachhaltiger und kosteneffizienter zu werden, können die Pflanzenwachstumsexperimente der NASA, wie das PPTNDS, Licht auf technologische Lösungen werfen, die in größerem Maßstab innerhalb der CEA übernommen werden könnten und dazu beitragen, den Energiebedarf für Anbausysteme zu senken.

Sagen du uns: Ist der Energieverbrauch derzeit einer der größten Kostenfaktoren in Ihrem Anbaugebiet? Wie könnte ein energiesparendes Anbausystem Ihre Ressourcen freisetzen, um Ihr Geschäft auszubauen?

Anbau in extremen Umgebungen

Wie Torres in dem Webinar erklärt, mischen sich Elemente wie Wasser und Luft ohne Schwerkraft ganz anders. Deshalb haben die Teams des Space Crop Production Lab große Anstrengungen unternommen, um die ISS-Umgebung nachzubilden, indem du mit einem hohen Kohlendioxidgehalt und manchmal mit simulierter Schwerelosigkeit arbeiten.

Aufgrund dieser Bedingungen sind herkömmliche hydroponische Kreislaufsysteme und Bewässerungssysteme in der Schwerelosigkeit nicht funktionsfähig, so dass Torres und sein Team eine Methode zur Wasserzufuhr finden mussten, die in einer solchen Umgebung funktioniert. Das PPTNDS arbeitet in einem geschlossenen Kreislaufsystem und bietet eine Möglichkeit, dies zu erreichen.

Die NASA arbeitet auch mit OSRAM zusammen, eine Partnerschaft, die zur Entwicklung eines maßgeschneiderten LED-Systems geführt hat, das die natürlichen Lichtverhältnisse auf der Erde nachahmt. Dieses System ist in der Lage, verschiedene Licht-'Rezepte' zu verwenden, die bestimmte Pflanzen und Wachstumsphasen während der Wachstumszyklen unterstützen können.

Da die NASA derzeit Lösungen für die extremsten Bedingungen entwickelt, die jemals für das Pflanzenwachstum in Betracht gezogen wurden, öffnet dies die Türen zu neuen Technologien, die es den Landwirten ermöglichen könnten, Erfolge zu erzielen - unabhängig davon, wie rau ihre Anbaubedingungen sein mögen. Ein weiteres Beispiel dafür ist die Space Chile Grow a Pepper Plant Challenge, bei der jedermann eingeladen ist, sich am Anbau einer einzigen Sorte in einer Vielzahl von Umgebungen zu versuchen und dabei die Pflanzenwachstumstechniken der NASA anzuwenden.

Der Anbau in unterschiedlichen Umgebungen ist bereits eine der größten Stärken von CEA, wo die Anbauflächen fast überall eingerichtet werden können, von ungenutzten städtischen Innenräumen bis hin zu unfruchtbarem Land. Durch den Einsatz von LED-Leuchten und anderen Technologien ist das Pflanzenwachstum nicht mehr durch saisonale Wachstumszyklen oder die Notwendigkeit eines fruchtbaren Bodens eingeschränkt, was dazu beiträgt, die Lebensmittelversorgung für das ganze Jahr zu sichern.

Wenn man die neuen NASA-Technologien zu den CEA-Standorten auf der Erde hinzufügt, könnte man potenziell überall Pflanzen anbauen, selbst in Umgebungen, die in Bezug auf Ressourcen, Energie oder Raum stark eingeschränkt sind. Langfristig könnte dies dazu beitragen, die Ernährungssicherheit in städtischen Zentren und in Entwicklungsländern zu verbessern.

Sagen du uns: Wie würden du die neuen Technologien der NASA, wie z.B. ihr LED-Lichtsystem, nutzen, um die Lebensmittelproduktion zu revolutionieren?

Der Umgang mit Wasserknappheit

Aufgrund der begrenzten Ressourcen, die auf der ISS zur Verfügung stehen, hat Torres die PPTNDS mit Blick auf die Wasserknappheit entwickelt. Tatsächlich verbraucht das PPTNDS im Vergleich zum hydroponischen System der NFT 75 % weniger Wasser. Das PPTNDS nutzt auch das, was auf der ISS leicht verfügbar ist, nämlich die NASA-Wasserbeutel.

Wenn man bedenkt, dass hydroponische Systeme den Wasserverbrauch im Vergleich zur bodenbasierten Landwirtschaft bereits drastisch senken - in einigen Fällen sogar um 95 % -, könnte ein Anbausystem wie das PPTNDS für Anbaustätten an Orten mit Wasserknappheit von entscheidender Bedeutung sein.

Dies ist besonders relevant, wenn man die Auswirkungen des Klimawandels auf die Landwirtschaft in Betracht zieht, denn es wird vorhergesagt, dass viele Teile der Welt von Megadürren betroffen sein könnten, die die Wasserressourcen einer Region über Jahrzehnte hinweg belasten können.

Während einige Hydrokultur-Anlagen in wasserarmen Regionen bereits Verfahren wie die Entsalzung nutzen, werden die Technologien der NASA, die ein ohnehin schon wasserarmes System noch nachhaltiger machen, den CEA-Züchtern helfen, ihre Anlagen auch bei den katastrophalsten klimabedingten Ereignissen am Laufen zu halten.

Sagen du uns: Welche Rolle muss Ihrer Meinung nach die Wasserknappheit spielen, wenn es darum geht, künftige technologische Innovationen bei CEA zu entwickeln?

Automatisierung auf die nächste Stufe bringen

Während es dem PPTNDS bereits gelingt, die Interaktionen zwischen den Besatzungsmitgliedern zu reduzieren, suchen die Teams des Space Crop Production Lab nach Möglichkeiten, diese durch Automatisierung noch weiter zu minimieren.

Dies könnte zum einen durch das OSRAM-LED-Lichtsystem geschehen, das seine Rezepturen je nach dem, was für die Pflanzen während ihrer Wachstumszyklen optimal ist, ändern kann, zum anderen aber auch durch die kontinuierliche hyper-spektrale Überwachung und Automatisierung des Advanced Plant Habitat, das sich auf der ISS befindet. Dieses Pflanzenwachstumssystem wäre in der Lage, die allgemeine Gesundheit der Pflanzen kontinuierlich zu überwachen und die Parameter automatisch anzupassen, wenn bestimmte Bedingungen registriert werden.

CEA ist in erster Linie durch die Notwendigkeit entstanden, Umwelt- und Pflanzengesundheitsparameter zu kontrollieren, um den Ertrag und die Qualität der Ernte zu verbessern. Die Technologie bietet den Landwirten die Möglichkeit, dies zu tun, indem du den Input und Output von Nährstoffen und Ressourcen für die Pflanzen auf ihren Flächen überwachen und anpassen können.

Das heißt, dass die Technologie, die den CEA-Anbauern derzeit zur Verfügung steht, mit der Zeit versagen wird; die Experimente der NASA konzentrieren sich jedoch auf die Entwicklung von Technologien mit minimalen Fehlermöglichkeiten. Da es kostspielig und schwierig ist, Ersatzteile zur ISS zu schicken, untersuchte Torres andere Lösungen und verwendete sogar den 3D-Druck, um eine Pumpenkomponente nachzubauen.

Die Automatisierungsausrüstung, die die NASA schließlich im Weltraum einsetzen wird, wird nicht nur erprobt und getestet sein, sondern auch ein minimales Ausfallrisiko aufweisen. Wenn du in den CEA-Anbaubetrieben eingesetzt werden, wäre dies nicht nur eine nachhaltige und kostengünstige Lösung in Bezug auf Ersatzteile, sondern würde auch die Automatisierung auf die nächste Stufe heben, so dass ein vollständig ferngesteuerter Anbau schon bald möglich sein könnte.

Sagen du uns: Wie würde eine 100% ige Fernautomatisierung Ihrer Anbaufläche Ihren Alltag als CEA-Anbauer verändern?

Abschließend lässt sich sagen, dass es auf dem Weg zum Anbau von Pflanzen im Weltraum zwar noch viele Hürden zu überwinden gibt, die NASA aber bereits viele Erfolge verzeichnen und vielversprechende Lösungen entwickeln konnte.

Diese aufregenden Lösungen, wie das PPTNDS und die Rezepte für künstliches Licht, könnten auch auf der Erde zahlreiche Anwendungen finden und dazu beitragen, die Zukunft der CEA zu gestalten, was zu einer Anbaumethode führen könnte, die absolut widerstandsfähig und nachhaltig ist und nur minimale Ressourcen verbraucht.

>> Sehen du das Webinar hier