Nahrungskapseln und vertikale Landwirtschaft könnten uns beim Anbau von Nutzpflanzen auf dem Mars helfen

Schon bevor wir den Mond erreichten, hatten die Menschen Pläne geschmiedet, Menschen zum Mars zu schicken, und in den letzten Jahren schien der Traum immer näher an der Verwirklichung zu stehen. Die NASA plant, in den 2030er Jahren Stiefel auf dem Roten Planeten zu stationieren, während Elon Musks SpaceX plant, noch früher dorthin zu gelangen.

Die Schwierigkeit besteht nicht nur darin, Astronauten zum Mars zu bringen, sondern auch darin, sie dort zu versorgen; man kann nicht einfach Kartoffeln in seiner Erde anbauen – ganz im Gegensatz zu dem, was Matt Damon im Film „Der Marsianer“ glauben machen möchte.

Mit einer Atmosphäre, die 100-mal dünner ist als die der Erde, nur der Hälfte des Sonnenlichts, keinem bekannten Zugang zu Süßwasser und Durchschnittstemperaturen von -81 Grad Fahrenheit ist der Mars die anspruchsvollste Umgebung, in der Menschen jemals Nahrung produzieren wollten.

Ein Startup namens Interstellar Lab glaubt, die Lösung zu haben. Das in Paris und Los Angeles ansässige Unternehmen hat ein Kapselsystem mit kontrollierter Umgebung entwickelt, das eines Tages den Anbau von Pflanzen im Weltraum ermöglichen könnte.

„Interstellar Lab ist die Verwirklichung eines Kindertraums im Kontext der Klimakrise auf der Erde“, sagt CEO Barbara Belvisi. „Schon in meinem jüngsten Alter träumte ich davon, eine multiplanetare Spezies zu werden und unter Kuppeln auf anderen Planeten zu leben, umgeben von Pflanzen.“

Belvisi verbrachte ein Jahr mit Ingenieuren am NASA AMES Space Portal, bevor er 2018 das Interstellar Lab startete. Sein Nutritional Closed-Loop Eco-Unit System, oder „NUCLEUS“, ist eine modulare Struktur, die aus neun Würfelkapseln besteht, die eine nahrhafte Ernährung für vier Personen ermöglichen sollen Astronauten für die Dauer einer zweijährigen Mission. Belvisi sagt, dass es in der Lage ist, frisches Mikrogrün, Gemüse, Pilze und sogar essbare Insekten zu produzieren.

„Der ursprüngliche Schwerpunkt lag auf dem Aufbau eines regenerativen Lebensmittelproduktionssystems, um eine nachhaltige Landwirtschaft auf der Erde voranzutreiben“, sagt Belvisi. „Aber ich fragte: ‚Was wäre, wenn die Technologie, die wir zum Leben im Weltraum benötigen, uns dabei helfen könnte, auf der Erde nachhaltiger zu leben?‘ So entstand das Konzept fortschrittlicher Module für kontrollierte Umgebungen für die Erde und den Weltraum.“

Im Jahr 2021 gehörte das Design zu den Gewinnern der Phase 1 der Deep Space Food Challenge der NASA, und im Januar dieses Jahres gab die NASA NUCLEUS unter den 11 Finalisten der Phase 2 bekannt.

NUCLEUS zieht nun in ein Labor in Cape Canaveral, Florida, um an der letzten Phase der Herausforderung teilzunehmen. Die Gewinner werden im April bekannt gegeben.

In den NUCLEUS-Kapselwürfeln werden Pflanzen in vertikalen Kultursystemen gezüchtet, die Methode, die viele Wissenschaftler für die beste Option für die Marslandwirtschaft halten.

Vertikale Landwirtschaft ist eine Methode zum Anbau von Pflanzen ohne Erde in einer kontrollierten Umgebung, bei der nährstoffreiches Wasser direkt zu den Wurzeln einer Pflanze gelangt. Es kann deutlich weniger Wasser und Dünger verbrauchen als die herkömmliche Landwirtschaft im Freien und durch die kontinuierliche Wasserumwälzung entsteht nur sehr wenig Abfall.

Ein groß angelegtes Beispiel dieser Methode findet sich in der Emirates Crop One-Anlage in Dubai, der größten vertikalen Farm der Welt. Nach Angaben von Crop One umfasst seine Farm in Dubai eine vertikale Anbaufläche von 330.000 Quadratfuß und produziert jedes Jahr 1 Million Kilogramm (mehr als 2 Millionen Pfund) Feldfrüchte, darunter Grünkohl, Spinat und Rucola.

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Deane Falcone, wissenschaftlicher Leiter von Crop One, sagt, dass die Prinzipien praktisch auf jede raue Umgebung angewendet werden können.

„Einer der grundlegenden Vorteile dieses Indoor-Anbaus besteht darin, dass wir ihn in Dubai anbringen können, wir könnten ihn bei extremer Kälte anbringen – im Grunde überall“, erklärt Falcone. Und abgesehen von Wasser und künstlichem Licht „ist es unabhängig von Ressourcen.“

Laut Falcone könnte beim Einsatz einer vertikalen Farm auf dem Mars Wasser aus den Eisschichten unter der Planetenoberfläche gewonnen werden, während das Licht entweder über ein Spiegelsystem zur Vergrößerung des natürlichen Sonnenlichts oder über solarbetriebene Lampen zugeführt werden könnte Windenergie.

Falcone hält die vertikale Landwirtschaft in einer vollständig versiegelten und kontrollierten Umgebung für „die einzige Option für die Landwirtschaft auf dem Mars“, obwohl einige Wissenschaftler den Anbau von Pflanzen direkt im Marsboden erforschen. Bei der vertikalen Landwirtschaft „kontrolliert man die Tageslichtstunden und hat großen Einfluss darauf, was die Pflanze tun wird“, sagt er. „Sie können die Blüte einfach dadurch fördern, dass Sie den Zeitpunkt der Beleuchtung ändern.“

Falcone weist darauf hin, dass ohne Schwerkraft, wie etwa während der erwarteten neunmonatigen Reise zum Mars, die häufigste Form der vertikalen Landwirtschaft, die Hydrokultur (Anbau im Wasser), nicht funktionieren würde. „Alle großen landwirtschaftlichen Betriebe auf der Erde sind auf die Schwerkraft angewiesen“, erklärt er. „Wir wachsen in einer Schale mit fließendem Wasser, und dieses Wasser wird durch die Schwerkraft in der Schale gehalten.“

Es handelt sich um ein Problem, das an Bord der Internationalen Raumstation auftritt, wo der Pflanzenanbau bereits mit künstlichem Licht erfolgt. Die Samen werden in einem nährstoffreichen Substrat in versiegelten Kammern gepflanzt, die mit Düngerpellets bestreut sind. Um dem Mangel an Schwerkraft entgegenzuwirken, müssen Astronauten den Wurzeln einzelner Pflanzen mühsam Wasser zuführen – ein System, das in dem Umfang, der zur Ernährung einer ganzen Besatzung erforderlich wäre, nicht realisierbar wäre.

Falcone schlägt eine alternative Methode vor, die sogenannte Aeroponik, bei der mithilfe eines Nebels Wasser an die eingeschlossenen Wurzeln abgegeben wird.

Sobald sie sich auf der Marsoberfläche befinden und unter dem Einfluss der Schwerkraft des Mars stehen, könnte ein hydroponisches vertikales Farmsystem verwendet werden, das in einer Umgebung wie NUCLEUS des Interstellar Lab untergebracht ist.

Aber Falcone geht davon aus, dass ein viel größerer Platzbedarf erforderlich sein wird. „Das System muss etwas sein, auf das man sich Tag für Tag verlassen kann, wenn es um die Versorgung mit Nahrungsmitteln geht“, sagt er. „Es könnte auch so angepasst werden, dass es atembare Luft liefert, da die dort wachsenden Pflanzen Sauerstoff erzeugen. Man müsste über ein ziemlich großes System verfügen, um eine kontinuierliche Produktion von Nahrungsmitteln und Zusatzprodukten wie Sauerstoff zu ermöglichen.“

Die Lebensmittel, die in diesen Systemen angebaut und den Siedlern auf dem Mars serviert werden könnten, werden in „Dinner on Mars: The Technologies That Will Feed the Red Planet and Transform Agriculture on Earth“ vorgestellt, einem Buch von Lenore Newman, Direktorin des Food and Agriculture Institute an der University of the Fraser Valley und Evan Fraser, Direktor des Arrell Food Institute an der University of Guelph, beide in Kanada.

„Der Schlüssel zur Erhaltung des Lebens auf dem Mars ist ein äußerst intensives, geschlossenes und effizientes Nahrungsmittelsystem“, sagt Newman.

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Fraser sagt, dass durch die Nutzung von LED-Licht und einem Kernreaktor zur Energiegewinnung „in einer Marsumgebung so ziemlich alles möglich ist“.

„Auf dem Mars muss man den Kreislauf schließen. Man muss genau auf alles achten, was man verliert oder in das System einspeist“, sagt Fraser. „Es ist eine schöne Gedankenübung, die uns daran erinnert, was wir auf der Erde erreichen könnten, wenn wir uns wirklich anstrengen würden.“

Fraser glaubt, dass diese Art von Technologie uns helfen könnte, die Ressourcen auf der Erde effizienter zu nutzen und den Kohlenstoffausstoß zu reduzieren.

„Die vertikale Landwirtschaft hat bemerkenswerte Arbeit bei der Reduzierung von Arbeitskräften, Wasser und Kosten wie Landkosten geleistet. Sie erzielen eine enorme Produktivität pro Quadratmeter, pro Arbeitsstunde und pro Liter Wasserverbrauch“, sagt Fraser.

Auf die Frage, ob sie denken, dass vertikale Landwirtschaft eine gute Option für die Erhaltung des Lebens auf dem Mars sei, antworten sowohl Newman als auch Fraser unisono: „Das ist die einzige Option.“