Raumfahrt Stuttgarter Algen im All

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Wenn Menschen monatelang im Weltraum bleiben sollen, sind neuartige Systeme zur Lebenserhaltung notwendig. Forscher an der Uni Stuttgart untersuchen, wie Bioreaktoren künftig Atemluft und Nahrung für Langzeitmissionen liefern können.

Ab ins All: Sowohl an der Uni Stuttgart als auch an der Uni Hohenheim wird mit Experimenten im Weltall erforscht, wie sich  künftige Langzeitmissionen effektiver durchführen lassen und wie sie sich auf die Menschen  auswirken. Foto: Esa, IRS Montage: Miller
Ab ins All: Sowohl an der Uni Stuttgart als auch an der Uni Hohenheim wird mit Experimenten im Weltall erforscht, wie sich künftige Langzeitmissionen effektiver durchführen lassen und wie sie sich auf die Menschen auswirken. Foto: Esa, IRS Montage: Miller

Stuttgart - Wer zum Mars fliegen will, ist mindestens 500 Tage unterwegs – bei Missionen mit einem längeren Aufenthalt können es auch 900 Tage werden. Da wird es schwierig, sämtliche Vorräte für beispielsweise sechs Astronauten von der Erde mitzunehmen. Dasselbe gilt auch für künftige Mondbewohner, die auf dem Erdtrabanten siedeln wollen. Also müssen die Weltraumfahrer Lebenserhaltungssysteme an Bord haben, mit denen sich die vorhandenen Ressourcen immer wieder erneuern lassen, so dass der Bedarf an Nachschub auf ein Minium sinkt. Hinzu kommt, dass sich die Raumfahrer in einer „Wohlfühlatmosphäre“ aufhalten sollen – und wenn die Luft zu dick wird, kann man nicht einfach das Fenster öffnen.

Chlorella vulgaris heißt die mikroskopisch kleine Grünalge, die Astronauten bei künftigen Langzeitmissionen im All das Leben sichern soll – und das in doppelter Hinsicht: Einerseits sollen die Pflanzen mithilfe der Fotosynthese das Kohlendioxid aus der menschlichen Atemluft in lebenswichtigen Sauerstoff umwandeln. Und andererseits sollen sie dabei essbare Biomasse produzieren. Kultivieren lassen sich die Mikroalgen in sogenannten Fotobioreaktorkammern, wo es genügend Licht für die Fotosynthese sowie Kohlendioxid und Nährstoffe für das Wachstum der pflanzlichen Zellen gibt. Chlorella vulgaris bringt dabei wichtige Weltraum-Eigenschaften mit: Sie wächst schnell, ist relativ robust und braucht zudem wenig Platz und Wasser.

Entwickelt und erprobt werden solche künftigen Bioreaktoren am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart. Zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrtsysteme (DLR) und dem Unternehmen Airbus Defence and Space in Friedrichshafen arbeitet das IRS schon seit einiger Zeit an einem solchen Experiment für die Internationale Raumstation (ISS). Ab dem Spätherbst 2018 ist der erste Einsatz im All geplant – und das 180 Tage lang: Dann soll das Stuttgarter Lebenserhaltungssystem zeigen, wie die Algen mit den Mikrogravitationskräften und der kosmischen Strahlung im All zurechtkommen.

Erfolgreiche Tests auf der Erde

Auf der Erde arbeitet das System bereits erfolgreich: Schon mehrfach haben die Stuttgarter Forscher die kleinen Algen in ihrem Fotobioreaktorsystem über ein halbes Jahr hinweg kultiviert – in derselben Art und Weise, wie dies an Bord der ISS geschehen soll. Die Algen durchlaufen dabei viele durchsichtige Schlingen. „Dies sorgt dafür, dass die Algenlösung gleichmäßig durchmischt und dabei optimal mit Nährstoffen und Licht versorgt wird“, erläutert der Raumfahrtingenieur Jochen Keppler vom IRS. Durch eine Membran, die diesen Fotobioreaktor umhüllt, kann Kohlendioxid in die Lösung hineindiffundieren und Sauerstoff herauswandern.

Das für die Fotosynthese erforderliche Licht liefern rote und blaue LED-Lämpchen. Das genügt den Algen, sie brauchen kein rein weißes Licht. Und an Bord spart es ein wenig Energie, wenn nur diese beiden LED-Typen Licht liefern. Den Algen scheint die Umgebung gut zu bekommen: „Wir erreichen mit unserem System zwölf Gramm Algenbiomasse pro Liter – da wird die Lösung schon ziemlich dunkelgrün“, berichtet der Biotechnologe Harald Helisch vom IRS-Algenteam.

Zwei Bioreaktoren für Airbus

Nun haben die Stuttgarter Forscher zwei solcher Bioreaktorkammern an Airbus übergeben. Dort sind sie das Herzstück des Demonstrationsexperiments für die künftige Lebenserhaltungstechnik mithilfe von ­Algen bei Langzeitmissionen. Dabei verhehlen die Stuttgarter keineswegs ihren Stolz darüber, dass der Industriepartner die Kammern nicht selbst baut, sondern direkt von der Uni übernimmt. Es sei einfach wichtig, dass alles sorgfältig und ausführlich getestet werde, betont Keppler. Nur so sei gesichert, dass die Algen die eingesetzten Materialien auch vertragen. Und genau da hat die Uni eben die meiste Erfahrung. Zusammengebaut wird das gesamte Lebenserhaltungssystem dann bei den Industriepartnern.

Die IRS-Forscher sind allerdings nicht nur für die Haltung der Algen zuständig, sondern auch für die Entwicklung und Vorbereitung der Algen-Startkulturen sowie die Versorgung mit Nährstoffen. Und sie kümmern sich zudem um die Ernte der im Algenlabor gewachsenen Biomasse: „Liquid Exchange Device“ heißt das Gerät, mit dem die Astronauten später die im All produzierte Biomasse abschöpfen sollen. Das soll nach derzeitiger Planung auf der ISS ­etwa alle zwei Wochen geschehen.

Nach dem Ende der Mission kommen die Proben tiefgefroren zur Erde und dann nach Stuttgart zurück. Dort sollen sie in Zusammenarbeit mit den Partnern analysiert werden: „Wir wollen sehen, wie sich die Biomasse, das Genom und die Fotosyntheseleistung in den 180 Tagen im All entwickelt haben“, erläutert Harald Helisch. Er und sein Kollege Keppler betonen allerdings immer wieder, dass es sich bei diesem Projekt nur um ein Experiment handelt und der Bioreaktor noch nicht zur Versorgung von Astronauten eingesetzt wird.