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Den Roten Planeten grün machen:Wie wir auf dem Mars Getreide anbauen werden

2016 nahm Wieger Wamelink, Pflanzenökologe an der Universität Wageningen, mit 50 Gästen im New World Hotel in den Niederlanden Platz für ein einzigartiges Essen.

Bei einem kurzen Blick auf die Speisekarte sah es vielleicht ganz normal aus, wenn auch ein wenig süffig – Vorspeisen mit Erbsenpüree, dann Kartoffel-Brennnessel-Suppe mit Roggenbrot und Radieschenschaum, dann Karottensorbet zum Abschluss.

Aber was es zu einem so außergewöhnlichen Anlass machte, war, dass das gesamte Gemüse, das für die Zubereitung der Mahlzeit verwendet wurde, von Wamelink und seinem Team in simulierten Mars- und Mondböden angebaut worden war.

Seitdem haben sie beeindruckende 10 Nutzpflanzen angebaut, darunter Quinoa, Kresse, Rucola und Tomaten, wobei Simulationserden verwendet wurden, die aus zerkleinertem Vulkangestein hergestellt wurden, das hier auf der Erde gesammelt wurde. Das Team produzierte seinen simulierten Boden, indem es die Gesteinspartikel in verschiedene Größen sortierte und sie in Proportionen mischte, die den Rover-Analysen des Marsbodens entsprechen.

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Die Böden wurden ursprünglich entwickelt, damit Rover und Raumanzüge auf der Erde getestet werden konnten, um zu sehen, wie gut sie mit den Oberflächenmaterialien von Mars und Mond umgehen. Nur wenige dachten, dass die Böden jemals tatsächlich bewirtschaftet werden könnten.

Zunächst einmal gab es Bedenken hinsichtlich der Textur des Bodens, insbesondere nachdem frühe Versuche, Modell-Mondböden zu bewirtschaften, mit winzigen, messerscharfen Gesteinsfragmenten zu kämpfen hatten, die die Wurzeln der Pflanzen durchbohrten. Auf dem Mars haben die Bewegungen des alten Wassers und die anhaltende Winderosion jedoch eine weitaus tolerantere Oberflächenbedeckung auf dem Planeten hinterlassen, und die simulierten Böden haben sich als erfolgreich erwiesen.

In Bezug auf die Ernährung gibt es laut Wamelink keinen Unterschied zwischen den „Marsianischen“ Pflanzen und denen, die auf lokalen Böden angebaut werden, und wenn es um den Geschmack geht, war er am meisten von der Süße der Tomaten beeindruckt.

Den Roten Planeten grün machen:Wie wir auf dem Mars Getreide anbauen werden

Wamelink und sein Team versuchen nun, die Ernteerträge zu verbessern, indem sie den simulierten Marsboden mit stickstoffreichem menschlichem Urin anreichern, einer Ressource, die bei bemannten Missionen zum Roten Planeten wahrscheinlich leicht verfügbar ist. Er plant auch, Bakterien einzuführen, die mehr atmosphärischen Stickstoff fixieren und sich auch von den giftigen Perchloratsalzen ernähren, die im Marsboden vorhanden sind.

An anderer Stelle, an der Villanova University in Pennsylvania, leiten Prof. Ed Guinan und Alicia Eglin das Red Thumbs-Projekt und hatten mehrere Erfolge bei der Zucht ihres eigenen Mars-Simulanten.

Ursprünglich aus Gestein gewonnen, das in der Mojave-Wüste gesammelt wurde, haben die Villanova-Forscher ihren Modellboden mit Regenwurmfarmen angereichert, da die Tiere in der Lage sind, Stickstoff aus toten organischen Stoffen durch das Graben und Fressen freizusetzen.

Das Red Thumbs-Projekt machte 2018 Schlagzeilen, als die internationalen Medien von der Aussicht auf Marsbier begeistert waren, nachdem es dem Team von Guinan und Eglin gelungen war, erfolgreich Gerste und Hopfen zu produzieren.

So viel Salat Sie wollen, aber keine Pommes

Ein paar Jahre später haben Guinan und Eglin nun Tomaten, Knoblauch, Spinat, Basilikum, Grünkohl, Kopfsalat, Rucola, Zwiebeln und Radieschen in ihre Gewächshäuser aufgenommen. Die Qualität der Ernten war unterschiedlich, aber der wichtigste unter den Erfolgen war Grünkohl, der tatsächlich besser auf dem simulierten Marsboden wuchs als auf lokalen Böden.

Andere Pflanzen hatten Probleme, wie die dringend benötigten und kalorienreichen Kartoffeln. Es stellte sich heraus, dass Kartoffeln eher einen lockeren, nicht verdichteten Boden bevorzugen und nicht wachsen konnten, da die simulierten Böden beim Gießen schwer und undurchdringlich wurden, was dazu führte, dass die Kartoffeln erstickten.

Eglin glaubt, dass der Schlüssel zum Erfolg darin liegen könnte, Pflanzen mit geringeren Erträgen anzubauen, die möglicherweise mehr natürliche Ökosysteme genießen, als es eine Einrichtung mit einer einzigen Art zulassen würde. Selbst auf der Erde leiden landwirtschaftliche Monokulturen oft im Laufe der Zeit, da Nährstoffe, die für die angebaute Pflanze unerlässlich sind, nach und nach aufgebraucht und nicht nach jeder Ernte ersetzt werden.

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Um diesem Effekt entgegenzuwirken, führen Landwirte häufig Sekundärarten im selben Anbaugebiet ein. Diese würden nicht mit der Hauptkultur konkurrieren, da ihre Wurzelsysteme flacher sind, aber sie würden dennoch eine zusätzliche Stickstofffixierung bieten, um die Bodenfruchtbarkeit zu verbessern. Eglin plant nun, dies durch den Anbau von Sojabohnen zu testen, die sich als lebenswichtige Proteinquelle erweisen könnten, und Mais neben Fuchsschwanz, einem Blattgemüse, das für seine Verwendung im karibischen Eintopf Callaloo berühmt ist.

Aber so erfolgreich diese Projekte auch sind, wir dürfen nicht vergessen, dass Simulationsböden sehr reale Grenzen haben, erklärt Christel Paille von der ESA. Sie ist am Micro-Ecological Life Support System Alternative Program (MELiSSA) beteiligt, das eine Reihe von Technologien für den Einsatz in bemannten Langstreckenmissionen erforscht, wie z. B. bakterielle Bioreaktoren, die Astronautenabfälle in Luft, Wasser und Nahrung recyceln. P>

Während MELiSSA Wamelink unterstützt hat, weist Paille darauf hin, dass alle Erfolge aus den Modellböden die Tatsache berücksichtigen müssen, dass sie auf begrenzten geografischen Probennahmen beruhen.

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„Es ist eine Basislinie, aber wahrscheinlich etwas, das wir nicht auf irgendeinen Ort auf der Marsoberfläche verallgemeinern können. Wir sind immer sehr vorsichtig mit einem simulierenden Material. Es ist sehr schwierig, in einem einzigen Simulanten alle Eigenschaften [der Marsoberfläche] zu erfassen“, sagt sie.

Vielleicht besteht die einzige Möglichkeit, dies zu umgehen, darin, eine Probe von der Marsoberfläche zu sammeln und zur Erde zurückzubringen. Am 30. Juli startete der Perseverance Rover der NASA von Cape Canaveral in Florida mit Blick auf die alten Flussdelta-Ablagerungen im Jezero-Krater des Mars. Wenn alles nach Plan läuft, wird sich der Rover im nächsten Februar in einem Land wiederfinden, das als das fruchtbarste Land auf dem Roten Planeten gilt.

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Dank seines Plutonium-basierten Energiesystems sollte der Rover in der Lage sein, bis zu einem Jahrzehnt die Marsoberfläche zu analysieren. Während frühere Missionen nach Anzeichen für bewohnbare Bedingungen in der Vergangenheit gesucht haben, will Perseverance noch einen Schritt weiter gehen und nach Anzeichen für vergangenes mikrobielles Leben suchen.

Außerdem und entscheidend für diejenigen, die auf den Anbau von Nahrungsmitteln auf dem Mars hoffen, wird der Rover Gesteins- und Bodenproben sammeln und sie in Vorbereitung auf eine mögliche zukünftige Robotermission aufbewahren, um sie zur Analyse zur Erde zurückzubringen. Bis dahin müssen wir nur mit den Simulationsböden arbeiten.

Bis dahin gibt es noch viel zu lernen. Anstatt sich beispielsweise auf einzelne Arten festzulegen, zieht es das MELiSSA-Programm von Paille vor, Pflanzen innerhalb eines in sich geschlossenen, lebenserhaltenden Ökosystems zu bewerten.

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Hier werden die Vorteile von essbarer Biomasse, Sauerstoffproduktion und sogar Wasseraufbereitung gegen die Ressourcen für den Anbau jeder Pflanze und die Entsorgung ihrer Abfälle abgewogen. Die Vorhersage der Ernteleistung auf dem Mars erfordert jedoch ein grundlegenderes Verständnis der Pflanzenbiologie.

„Es geht darum, auf die molekulare Ebene zu gehen“, sagt Paille. „Wir müssen charakterisieren, was unter der Erde passiert, wie bei der Wurzelatmung. Wie werden Gase wie Sauerstoff aufgenommen und der Wurzel zugeführt. Und wie diffundiert das entstehende Kohlendioxid eigentlich heraus?“

Wachstumsbarrieren

Selbst wenn ein geeignetes Simulans entwickelt wird, gibt es noch weitere Herausforderungen zu bewältigen. Der Mars befindet sich in einer Umlaufbahn, die rund 70 Millionen Kilometer weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde. Infolgedessen liefert das Sonnenlicht nur 43 Prozent so viel Energie, wodurch die Durchschnittstemperaturen bei etwa -60 °C liegen. Auch wegen der Neigung des Planeten und der stark elliptischen Umlaufbahn sind die jahreszeitlichen Schwankungen extrem.

Eine weitere Hürde ist die Marsatmosphäre, die viel dünner als die der Erde ist und der für das Pflanzenwachstum lebensnotwendiger Stickstoff fehlt. Stattdessen wird es von Kohlendioxid dominiert, das für die Photosynthese lebenswichtig ist, aber es ist in so geringen Konzentrationen, dass alle Pflanzen, die auf der Oberfläche wachsen, Schwierigkeiten haben würden, genug zu nutzen, um das Wachstum anzukurbeln.

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Die dünne Atmosphäre setzt den Marsboden auch der kosmischen Strahlung aus. Dies schafft eine feindliche Umgebung für alle Mikroorganismen, die Sie möglicherweise einführen, um Nährstoffe aus totem Pflanzenmaterial zu recyceln.

Außerdem hat Jennifer Wadsworth vom britischen Zentrum für Astrobiologie gezeigt, dass Sonnenstrahlung Chlorverbindungen im Marsboden aktivieren und sie in giftige Perchloratsalze umwandeln kann. Diese sind beim Verzehr giftig und können zu einer Schilddrüsenunterfunktion führen, die die Ausschüttung stoffwechselregulierender Hormone blockiert. Auch giftige Schwermetalle wie Cadmium, Quecksilber und Eisen im Boden stellen eigene Herausforderungen dar.

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„Alles, was man sich in Bezug auf Schwermetalle vorstellen kann, was für Menschen giftig ist, befindet sich in diesen Böden“, sagt Wamelink. „Für Pflanzen ist das kein Problem, weil sie es irgendwo lagern. Aber wenn wir diese Pflanzen essen, könnte es [ein Problem für uns] sein.“

Eine weitere Option könnten erdlose Techniken sein, die bereits auf der Erde verwendet werden. Bei der Aeroponik schweben Pflanzen in der Luft, während ihre Wurzeln mit einem Nährstoffnebel besprüht werden. Alternativ taucht die Hydroponik die Wurzeln in eine nahrhafte Flüssigkeit.

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Diese Ansätze können größere, schneller wachsende Pflanzen hervorbringen und wurden bereits zum erfolgreichen Anbau von Salat auf der Internationalen Raumstation (ISS) eingesetzt. Tatsächlich waren die Astronauten so zufrieden mit ihrer Ernte, sagt Wamelink, dass die Wissenschaftler zu Hause von der Menge an Salatproben enttäuscht waren, die zur Analyse zurückgegeben wurden, nachdem zu viel gegessen wurde.

Kaloriendefizit

Trotz der Popularität des ISS-Salats reicht die Luft- oder Wasserlandwirtschaft allein möglicherweise nicht aus, um Astronauten auf Langstreckenflügen zum Mars zu ernähren, was wiederum auf das Problem des Kartoffelanbaus zurückzuführen ist.

„Es ist sehr schwierig, Kartoffeln in Hydrokultur anzubauen, und es reicht nicht aus, nur Salat und Tomaten zu essen, weil man Kalorien braucht“, sagt Wamelink. „Kartoffeln wachsen viel besser auf Böden, wo man viel Ernte pro Kubikmeter bekommt und die organische Substanz, die man nicht isst, recycelt werden kann.“

Ob in Erde, Wasser oder nebliger Luft angebaut, Lebensmittel werden in jedem Mars-Außenposten wahrscheinlich viel mehr als nur eine einfache Ernährungsrolle spielen. Sich zu einer anständigen Mahlzeit hinzusetzen, wäre für die geistige Gesundheit und das Wohlbefinden aller wegweisenden Astronauten, die Millionen von Kilometern von zu Hause entfernt leben, von unschätzbarem Wert. Wer weiß, vielleicht stehen ja doch Roggenbrot und Radieschenschaum auf dem Speiseplan.

  • Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 354 von BBC Science Focus – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können