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Gewächshaus EDEN-ISS EDEN-ISS, der Schrebergarten in der Antarktis

Wie kann man Menschen auf der ISS, auf dem Mond oder Mars mit frischem Obst und Gemüse versorgen? Mit Pflanzen, die direkt vor Ort gezüchtet werden! Getestet wird das seit 2018 im Gewächshaus EDEN-ISS in der Antarktis. Mit knackigem Erfolg!

Stand: 07.05.2021

Jess Bunchek, NASA-Botanikerin und zweite Gärtnerin im EDEN-ISS-Gewächshaus in der Antarktis. Seit 2018 wird EDEN-ISS vom DLR in der Nähe der Neumayer-Station III betrieben. | Bild: Alfred-Wegener-Institut/Ort/DLR

Wenn es für Pflanzen zu kalt und dunkel ist, wenn Erde, Wasser und Dünger nicht so leicht verfügbar sind, und wenn sich auch niemand rund um die Uhr persönlich darum kümmern kann, dann bräuchte man ein Gewächshaus, das genau von solchen Faktoren unabhängig ist. Ein solches könnte irgendwann auch die Besatzungen der ISS und von Mond- oder Marsmissionen mit frischem Obst und Gemüse versorgen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) testet den Schrebergarten der Zukunft seit Anfang 2018 in der Antarktis: mit dem EDEN-ISS-Gewächshaus, das auf dem Ekströmeisschelf etwa 400 Meter von der Neumayer-Station III entfernt ist, die vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) betrieben wird.

EDEN-ISS, der Schrebergarten in der Antarktis

Ankunft von EDEN-ISS in der Antarktis

Am 3. Januar 2018 kam das in Spezialcontainer integrierte Gewächshaus per Schiff im ewigen Eis an. Mit Pistenbullys wurde es von der Schelfeiskante rund 20 Kilometer bis zur Neumayer-Station III geschleppt. Das Innenleben des Gewächshauses wurde vor Ort fertiggestellt: Regale wurden eingerichtet, Pumpen für die Nährlösung installiert und Spezial-LEDs für die optimale Beleuchtung kalibriert. Mitte Februar 2018 wurden die ersten Samen ausgesät.

Der unwirtliche Standort Antarktis bot sich für EDEN-ISS aus mehreren Gründen an: "Die Antarktis ist so ähnlich wie Mond und Mars. Sie ist isoliert. Die Mannschaftsgröße auf der Neumayer-Station III ist ähnlich zu der einer bemannten Mission zu Mond und Mars", erklärt Daniel Schubert, der Leiter des Forschungsprojekts EDEN-ISS. Im EDEN-ISS-Gewächshaus, das in zwei etwa sechs Meter langen Containern untergebracht ist, werden Pflanzen unter künstlichem rot-blauen Licht angebaut, die einen hohen Wassergehalt aufweisen und deshalb nicht lange gelagert werden können: zum Beispiel Tomaten, Paprika, Gurken, Radieschen, Spinat, verschiedene Salatsorten und Kräuter wie Basilikum, Schnittlauch, Petersilie, Minze und Koriander - und als besonderes Schmankerl: Erdbeeren.

"Die Antarktis mit ihren extremen klimatischen Bedingungen mit bis zu minus 40 Grad bietet ein optimales Testumfeld."

Daniel Schubert, EDEN-ISS-Projektleiter vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Bremen

EDEN-ISS, das Gewächshaus der Zukunft

Das EDEN-ISS-Gewächshaus muss sich in der Antarktis bei bis zu minus 40 Grad Außentemperatur und monatelanger Dunkelheit behaupten.

Ungemütliche Stürme und eisige Temperaturen können den Pflanzen im EDEN-ISS-Gewächshaus nichts anhaben: Im Inneren des Hightech-Containers mit 12,5 Quadratmetern Anbaufläche herrschen Temperaturen bis zu 25 Grad Celsius und 65 Prozent relative Luftfeuchte. Die Pflanzen werden kontinuierlich mit einer Nährstofflösung besprüht und wachsen ohne Erde unter künstlichem Licht. Vom Kontrollzentrum in Bremen aus kann man ihnen dabei rund um die Uhr zusehen, die Prozesse steuern und auch eingreifen. Mit EDEN-ISS soll nicht nur die Crew der Neumayer-Station III in der Antarktis versorgt werden. Das große Ziel ist es, zu erforschen, wie Nahrung und andere wichtige Ressourcen wie Sauerstoff und Wasser in einer lebensfeindlichen Umgebung möglichst autark und kontinuierlich bereitgestellt werden können. Erprobte Abläufe und Systeme könnten dann nicht nur künftigen Weltraummissionen dienen, sondern auch klimatisch ungünstig gelegenen Gebieten auf der Erde.

1. Testlauf: EDEN-ISS produziert 2018 in der Antarktis 270 Kilo Gemüse

Sogar Radieschen gedeihen im Gewächshaus EDEN-ISS in der Antarktis.

Bereits 2018 konnten die Forscher der unwirtlichen Antarktis insgesamt 117 Kilo Salat, 67 Kilo Gurken, 46 Kilo Tomaten, 19 Kilo Kohlrabi, 15 Kilo Kräuter und 8 Kilo Radieschen abtrotzen. Der Raumfahrtingenieur Paul Zabel kümmerte sich rund ein Jahr lang um das Projekt EDEN-ISS vor Ort. "Ich war tatsächlich überrascht, dass wir so viel ernten konnten", sagte Paul Zabel im Januar 2019, nach seiner Rückkehr aus der Antarktis. Im ersten Testlauf habe sich aber auch gezeigt, dass der Betrieb noch zu viel Zeit in Anspruch nehme, berichtet Projektleiter Daniel Schubert. "Nun arbeiten wir daran, Abläufe und Prozeduren zu optimieren." Arbeitszeit wird schließlich bei späteren Weltraummissionen ein kostbares Gut sein.

2. Testlauf: EDEN-ISS bekommt 2021 Unterstützung von der NASA

Jess Bunchek, NASA-Botanikerin und seit Januar 2021 Gärtnerin im EDEN-ISS-Gewächshaus in der Antarktis

Im Januar 2021 ist, nach einer technischen Überholung, der zweite Testlauf von EDEN-ISS in der Antarktis gestartet. Diesmal als gemeinsame Versuchsreihe der US-Weltraumbehörde NASA und des DLR. Jetzt wird sich die Botanikerin Jess Bunchek von der NASA ein Jahr lang um das Gewächshaus in der unwirtlichen Umgebung kümmern. Mit Erfolg: Bis Mai 2021 konnten schon die ersten Kräuter, Radieschen und Salate geerntet werden. Sie wird wie Paul Zabel rund ein Jahr lang in der Antarktis bleiben, als Mitglied des zehnköpfigen Überwinterungsteams auf der vom AWI betriebenen Neumayer-Station III. Buncheks Ziel ist es, bis Anfang 2022 zu erforschen, wie Astronauten zukünftiger Mond- und Marsmissionen mit möglichst wenig Zeit- und Energieeinsatz viel frisches Gemüse züchten können. Und wie sich EDEN-ISS und die Ernte auf die isolierte Überwinterungscrew im ewigen Eis auswirken. Die NASA will im Gewächshaus EDEN-ISS außerdem eine Pflanzenbewässerung testen, die unter Schwerelosigkeit funktioniert.

"Allein mit den neun weiteren Mitgliedern der Überwinterungscrew fühlt es sich fast so an, als würden wir auf einem anderen Planeten ganz auf uns allein gestellt sein. Es ist faszinierend in dieser lebensfeindlichen Welt das Grün ohne Erde unter künstlichem Licht gedeihen zu sehen."

Jess Bunchek, Botanikerin, NASA

Das Besondere am EDEN-ISS-Gewächshaus

Aufbau von EDEN-ISS

Das EDEN-ISS-Gewächshaus in der Antarktis.

Das EDEN-ISS-Modul in der Antarktis ist insgesamt fast 13 Meter lang. Es besteht aus zwei rund sechs Meter langen quaderförmigen Containern, die hintereinandergebaut wurden und in drei unterschiedliche Bereiche aufgeteilt sind:

  • Gewächshaus: Hier werden die Pflanzen in Regalen auf mehreren Ebenen in einer genau kontrollierten Umgebung angebaut.
  • Servicebereich: Hier befinden sich die Systeme für die Steuerung des Gewächshauses, das Luft- und Wärmemanagement und die Nährstoffversorgung. Außerdem gibt es einen Arbeitsplatz für die Vor- und Nachbereitung der Ernte.
  • Luftschleuse: Der kleine Raum dient als Luftpuffer, um die kalte Luft beim Öffnen des Haupteingangs von der Ernte fernzuhalten. Die Luftschleuse dient außerdem als Abstellfläche.

Technik des EDEN-ISS-Projekts

Im EDEN-ISS-Gewächshaus wachsen Pflanzen unter künstlichem Licht in der Antarktis.

Im EDEN-ISS-Projekt werden unter anderem ein fortschrittliches Nährstoffzufuhrsystem, ein Hochleistungs-LED-Beleuchtungssystem, ein System zur Bioerkennung und Dekontaminierung sowie Verfahren und Technologien zur Lebensmittelprüfung entwickelt und getestet. Die erzeugten Nahrungsmittel dürfen schließlich keine Bakterien oder Pilze enthalten, die die Crew oder die anderen Pflanzen gefährden.

Geschlossenes System EDEN-ISS

Das EDEN-ISS-Gewächshaus in der Antarktis funktioniert als geschlossenes System.

Gewächshäuser gibt es zwar schon einige in der Antarktis, EDEN-ISS ist jedoch anders: "Das Gewächshaus ist ein komplett geschlossenes System. Alle Kreisläufe - Luft, Wasser - sind geschlossen. Das ist neu, das gab's so noch nicht", sagt Projektleiter Daniel Schubert. Das bedeutet auch: Alle Ressourcen, die im EDEN-ISS-Gewächshaus zur Pflanzenzucht nötigt sind, stammen aus der Anlage selbst: Nährstoffe, Luft, Wasser und Energie.

So funktioniert EDEN-ISS

  • Pflanzen: Im isolierten Gewächshaus gedeihen die Pflanzen trotz widriger Umweltbedingungen draußen dank Aeroponik. Bei dieser Technik werden die Pflanzen ohne Erde steril in Behältern kultiviert, ihre Wurzeln hängen frei nach unten.
  • Nährstoffe: Alle paar Minuten werden die Pflanzen computergesteuert mit einem Wasser-Nährstoffgemisch besprüht. Die Nährstoffe sind speziell auf die jeweiligen Bedürfnisse der Pflanzen abgestimmt.
  • Temperatur: Die Temperaturen liegen zwischen 20 und 25 Grad Celsius. Ideal, um die Pflanzen bei Fotosynthese, dem Wassertransport und der Verdunstung zu unterstützen. Die Wärme wird im geschlossenen EDEN-ISS-System hauptsächlich von der Lichtquelle erzeugt.
  • Licht: Beschienen werden die Pflanzen gleichmäßig von hellen LEDs, die alles in ein lila Licht tauchen. "Das ist eine spezielle Entwicklung aus Schweden. Wir geben der Pflanze nur das Lichtspektrum, das sie für ihre Fotosynthese benötigt. Das ist hauptsächlich rot und ein bisschen blau. Mehr braucht die Pflanze nicht zum Leben", erklärt Schubert. Das mache die Beleuchtung auch energieeffizient.
  • Luft: Die Luft wird für die Pflanzen aufbereitet: "Der CO2-Gehalt wird gesteigert, mit speziellen Filtern reinigen wir sie von Pilzspuren und Keimen und betreiben eine Anlage zur Luftsterilisation mittels UV-Strahlung", berichtet Projektleiter Daniel Schubert. "Damit können wir eine rein biologische Züchtung ermöglichen, die ohne Insektizide und Pestizide auskommt." Wie eine Raumstation besitzt das Gewächshaus einen vollständig geschlossenen Luftkreislauf, inklusive einer Schleuse, durch die es betreten wird.
  • Wasser: Sämtliches Wasser, das die Pflanzen an die Luft abgeben, wird aufgefangen und erneut eingespeist.
  • Steuerung: EDEN-ISS lässt sich, zum Beispiel bei schweren Stürmen, auch vom DLR-Standort in Bremen aus kontrollieren und steuern. Monitore zeigen Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt an. Alle Pflanzen werden regelmäßig fotografiert und die Bilder nach Bremen übermittelt.

EDEN-ISS liefert Sauerstoff und Trinkwasser

Das EDEN-ISS-Gewächshaus (Bildmitte hinten) ist ein geschlossenes System in der Antarktis, nahe der Neumayer-Station III.

Das Gewächshaus als geschlossenes System hat jedoch nicht nur den Vorteil, Crews auf der Erde, auf einem fremden Planeten oder auf ihrem Weg dazwischen mit frischer Nahrung zu versorgen. Es dient gleichzeitig als grüne Lunge: "Wir können auch Sauerstoff generieren und Wasser gewinnen, das Trinkqualität hat", erklärt Schubert. Und bei einer Mars-Mission die drei Jahre dauert, sei auch die psychologische Wirkung nicht zu vernachlässigen. "Etwas Grünes hat einen positiven Effekt auf die Psyche des Menschen."

Ziel des EDEN-ISS-Projekts

Radieschen im EDEN-ISS-Gewächshaus in der Antarktis kurz vor der Ernte

Insgesamt soll EDEN-ISS zu einem zuverlässigen, produktiven und möglichst autarken Pflanzenzuchtsystem werden, das hochwertige Pflanzen ohne Pestizide und möglichst ressourceneffizient von der Saat bis zur Ernte wachsen lässt.

Paul Zabel, 2018 der erste EDEN-ISS-Gärtner in der Antarktis

Paul Zabel ist eigentlich Raumfahrtingenieur, wurde 2018 aber zum EDEN-ISS-Gärtner.

Raumfahrtingenieur Paul Zabel wurde 2018 zum Gärtner und war der erste, der im EDEN-ISS-Gewächshaus in der Antarktis Gemüse unter Extrembedingungen angepflanzt hat. Mit großem Erfolg: "Die Pflanzen wachsen schneller als unter normalen Bedingungen", stellte Projektleiter Daniel Schubert vom DLR fest. Darauf vorbereitet hatte sich Paul Zabel mit einem zweiwöchigen Intensivkurs im Gärtnern in einem niederländischen Gewächshaus: "Ich weiß jetzt, wie ich eine Pflanze beschneide und wie ich erkenne, ob es ihr gut geht", berichtete Zabel nach seiner Fortbildung. Beinahe täglich machte sich Paul Zabel von Januar 2018 bis Januar 2019 von der Antarktisstation Neumayer III auf zum EDEN-ISS-Gewächshaus. Pflanzen, Hegen und Pflegen standen auf dem Programm, genauso aber auch das Sammeln von mikrobiologischen Proben und die Kontrolle von Licht, Temperatur und der Versorgung mit Kohlendioxid und Nährlösung. Bei Sturm wurde das Gewächshaus automatisch vom Kontrollzentrum in Bremen überwacht und gesteuert. "Von Bremen aus waren wir mit Paul in täglichem Kontakt", berichtet EDEN-ISS-Projektleiter Daniel Schubert.

"Unter speziellem künstlichen Licht, wohltemperiert und ohne Erde nur von ausgesuchten Nährlösungen versorgt, können wir die Pflanzen schneller und produktiver als in ihrem natürlichen Umfeld wachsen lassen."

Daniel Schubert, EDEN-ISS-Projektleiter vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Bremen

EDEN-ISS: Lehrreicher erster Extremtest des Gewächshauses in der Antarktis

Der erste Salatteller mit frischem Gemüse aus dem EDEN-ISS-Gewächshaus in der Antarktis.

Schon in diesem ersten Jahr des EDEN-ISS-Projekts wurden die insgesamt zehn auf der Neumayer-Station III überwinternden Polarforscher verwöhnt: Sie bekamen regelmäßig frisches Gemüse. Normalerweise sind sie im antarktischen Winter von der Außenwelt abgeschnitten und müssen monatelang von ihren Vorräten leben. Die Ernte fiel bereits 2018 so gut aus, dass das Gemüse im Kühlschrank gelagert und über mehrere Tage verzehrt werden konnte. "Die Mitüberwinterer freuen sich immer schon auf die nächste frische Mahlzeit", berichtete Paul Zabel während seiner Gärtner-Zeit. Nur die Paprika- und Erdbeerpflanzen wollten noch nicht so recht: Sie wuchsen zwar schnell, aber die künstliche Bestäubung gestaltete sich schwierig. Die Pflanzen bildeten nur wenige Früchte aus. "Beim Gewächshaus-Probebetrieb in Bremen hatten die Paprikapflanzen noch zahlreiche Früchte getragen. Das zeigt, wie wichtig und lehrreich der Extremtest des Gewächshauses unter antarktischen Bedingungen ist", betonte Daniel Schubert, der EDEN-ISS-Projektleiter.

"Sonst gibt es auf dem Speiseplan nur lange Haltbares aus Tiefkühl- und Vorratskammern."

Eberhard Kohlberg, Logistikverantwortlicher für die Neumayer-Station III und mehrfacher Überwinterer, Alfred-Wegener-Institut

So kommen Lebensmittel bislang in die Antarktis

In der Neumayer-Station III leben und arbeiten im antarktischen Sommer bis zu fünfzig Personen, im Winter bis zu zehn. Frisches Obst und Gemüse sind auf der Station Mangelware, vor allem im antarktischen Winter, wenn sie von der Außenwelt abgeschnitten ist. Haltbarer Proviant wird einmal jährlich, meist um Weihnachten herum, per Schiff geliefert: Container mit etwa 60 Tonnen Lebensmitteln und Getränken. Gemüse und Obst gibt es während der Isolationsphase im Winter meist nur als Tiefkühlware. In der sogenannten Sommersaison von November bis Februar werden in drei- bis vierwöchigen Abständen frisches Obst und Gemüse aus Südafrika eingeflogen. Ende Februar kommt dann allerdings die letzte Frischproviantlieferung an. Danach gibt es für Monate keine frischen Lebensmittel - bis auf Kartoffeln und Zwiebeln, die sich lagern lassen und ein paar Obstsorten, die länger haltbar sind. Umso mehr wird dann wieder die erste Lieferung von Salat und Tomaten im November erwartet.

Erste Erfahrungen mit Problemen bei EDEN-ISS

Antarktis-Fakten

Der Kälterekord in der Antarktis liegt bei minus 50,2 Grad Celsius. In der Zeit vom 21. Mai bis zum 22. Juli herrscht Polarnacht. Dann kommt die Sonne nicht über den Horizont, es bleibt weitgehend dunkel.

Während seiner Zeit in der Antarktis berichtete Paul Zabel auch, dass die Arbeit im und am Gewächshaus sehr intensiv war. Ab und an wurde er auch mit technischen Problemen konfrontiert. "So musste ich beispielsweise einmal schnell zum Gewächshaus, weil sich eine Schraubenverbindung im Thermalsystem gelockert hatte und die Kühlung der Lampen nicht mehr ausreichend gewährleistet war." Auch solche Störungen sehen die Forscher als Bereicherung: Die technischen Ausfälle und deren Reparatur liefern wertvolle Erkenntnisse für den Dauerbetrieb solcher Anlagen. Die Verantwortlichen erkennen, an welchen Stellen das Gewächshaus künftig noch robuster werden muss. "Bei Komplikationen ist es für uns wichtig, mit den vor Ort vorhandenen Werkzeugen und Mitteln reagieren zu können. Schließlich wäre der solide Betrieb eines Gewächshauses auf Mond und Mars überlebenswichtig", unterstreicht EDEN-ISS-Projektleiter Daniel Schubert.

"Wir können in der Polarnacht ja keine Sonne sehen, sind tausende Kilometer entfernt ohne schnelle Rückkehrmöglichkeit. Da fühlt man sich tatsächlich ein wenig, als wenn man die Reise auf einen anderen Planeten antritt."

Paul Zabel, Raumfahrtingenieur und erster EDEN-ISS-Gärtner in der Antarktis

Seit 2019 ist das Gewächshaus EDEN-ISS in der Antarktis ferngesteuert

"EDEN"

Evolution & Design of Environmentally-closed Nutrion-Sources
Das Projekt EDEN-ISS wird unter der Leitung vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit dem Alfred-Wegener-Institut (AWI) und vielen weiteren internationalen Partnern realisiert.

Um den Verantwortlichen vor Ort künftig Zeit und Nerven zu sparen, wurde das EDEN-ISS-Gewächshaus bereits 2019 weiterentwickelt, optimiert und weiter automatisiert. Die Samen können seither ferngesteuert per Knopfdruck von Bremen aus Wasser bekommen, keimen und gedeihen. Die Polarforscher müssen das Gewächshaus EDEN-ISS in der Antarktis theoretisch nur für die Ernte wieder betreten. Ähnlich sehe das Szenario bei einer echten Raumfahrtmission aus, erklärt EDEN-ISS-Projektleiter Daniel Schubert.

"Wenn die Astronauten am Mars ankommen, soll das Gewächshaus schon in voller Blüte stehen."

Daniel Schubert, EDEN-ISS-Projektleiter vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Bremen

Quellen und weiterführende Infos zum EDEN-ISS-Gewächshaus

Hier finden Sie weitere Infos zum EDEN-ISS-Projekt in der Antarktis:

  • Antarktis-Gewächshaus - EDEN ISS startet neue Mission: am 3. Mai 2021, um 18.05 Uhr, IQ, Bayern 2.
  • Tomaten am Südpol - Wie gut klappt das Gärtnern in der Antarktis bei EDEN-ISS? Am 13. Januar 2019, um 13.35 Uhr, Aus Wissenschaft und Technik, B5 aktuell.
  • Gärtnern in der Raumfahrt: am 11. Januar 2019, 17.45 Uhr, nano, ARD-alpha.
  • Tomaten am Südpol - Wie gut klappt das Gärtnern in der Antarktis bei EDEN-ISS? Am 9. Januar 2019, um 18.05 Uhr, IQ, Bayern 2.
  • Halbzeit bei EDEN-ISS in der Antarktis: am 25. Juni 2018, um 18.05 Uhr, IQ, Bayern 2.
  • EDEN-ISS - Gewächshaus in der Antarktis: am 9. April 2018, um 18.05 Uhr, IQ, Bayern 2.
  • EDEN-ISS - Hydrokultur am Südpol: am 12. Januar 2018, um 16.30 Uhr, nano, ARD-alpha.
  • "Gemüse unter Extrembedingungen - Testanbau in der Antarktis": am 10. Juli 2017, um 18.05 Uhr, IQ, Bayern 2.

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