Der Countdown läuft...

V3PO will Pflanzen im Weltall erforschen

24.06.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Maria, David und Raphael (v.l.n.r.) vom Schülerprojekt V3PO auf der
Maria, David und Raphael (v.l.n.r.) vom Schülerprojekt V3PO auf der "Welcome Home" Party des Astronauten Alexander Gerst. (Bildquelle: © V3PO)

Das „V3PO“-Schülerprojekt möchte Stecklinge in der Schwerelosigkeit erforschen. Es ist folgende Frage, die dem V3PO Schülerprojekt einen Platz im Nachwuchsprogramm der NASA Education verschafft hat: Ist vegetative Pflanzenvermehrung unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit möglich? Um die Antwort zu finden und den Versuch an Bord der ISS durchführen zu können, gehen die Schüler im Sommer in die Finanzierungsphase. Das Projekt lenkt den Blick auf eine entscheidende Frage unserer Zeit: Wie können bei begrenzten Ressourcen auf der Erde die Agrarsysteme der Zukunft aussehen? Sind Pflanzen im Weltall eine Spielerei oder Voraussetzung für Missionen im All oder gar eine Erweiterung der Landwirtschaftlichen Nutzfläche in schwebenden Gewächshäusern?

Man muss kein Astronaut sein, um beim Stichwort Astronautennahrung die Nase zu rümpfen. Reich an Proteinen und Vitaminen, dafür trocken und fad. Abgepackt, weder ansehnlich noch abwechslungsreich. Zwar wurde im Lauf der Zeit der Speiseplan mit Unterstützung aus der Ernährungswissenschaft und Sterneküche erweitert, jedoch sind frische Lebensmittel nach wie vor Mangelware. Maximal zwei bis drei Tage nach dem Start müssen frisches Obst und Gemüse verzehrt sein. Dabei sind gerade jene Produkte besonders lecker und nahrhaft. Wäre es daher nicht wünschenswert, den Anbau von Obst und Gemüse im All zu ermöglichen, Astronauten mit frischen Lebensmitteln zu versorgen bzw. sich selber versorgen zu lassen? Gleichzeitig würde auf natürlichem Weg Kohlendioxid (CO2) in Sauerstoff verwandelt.

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Maria, Raphel und David im Labor mit ihrer Modellpflanze für die Mission auf der ISS. Dabei handelt es sich um eine Feigenart namens Ficus pumila.

Maria, Raphel und David im Labor mit ihrer Modellpflanze für die Mission auf der ISS. Dabei handelt es sich um eine Feigenart namens Ficus pumila.

Bildquelle: © V3PO

Grundlagenforschung in der Schwerelosigkeit

Maria Koch, Raphael Schilling und David Geray, Schüler der Edith-Stein-Schule Ravensburg & Aulendorf in Baden-Württemberg, nehmen sich diesem ambitionierten Vorhaben an. Das 2014 gestartete Forschungsprojekt namens V3PO – die Kurzform für Vegetative Vermehrungsfähigkeit von Pflanzen im Orbit – hat ein konkretes Ziel vor Augen: „Wir wollen wissen, ob Stecklinge auch in der Schwerelosigkeit in der Lage sind, Wurzeln zu bilden“, erklärt Maria Koch. „Grundlagenforschung ist das, worum es uns geht“, ergänzt Brigitte Schürmann, Leiterin der Labor AG, Unterstützerin und Mentorin von V3PO.

Teilnahme am NASA Nachwuchsprogramm Education gesichert

Fragestellung, Einsatzbereitschaft und Vorgehen waren so überzeugend, vor allem aber innovativ, dass das Projekt als erstes Schülerprojekt aus Deutschland in das Nachwuchsförderprogramm der NASA Education aufgenommen wurde. Während die Erforschung des Wachstums von Keimlingen in der Schwerelosigkeit bereits fortgeschritten ist, betreten die drei Schüler mit der Untersuchung von Stecklingen Neuland. Anders als Keimlinge besitzen Stecklinge keine Wurzelanlage (Radicula). Was genau in der Schwerelosigkeit passiert, ob sich Wurzelzellen differenzieren oder nicht, steht derzeit also noch buchstäblich in den Sternen.

Pflanzenforschung auf engstem Raum

Maria, Raphael und David beginnen also bei null. „Damit die Umsetzung unseres Experiments auch gelingt, arbeiten wir gegenwärtig daran, das Forschungsdesign für die ISS zu entwickeln. Das heißt eine Methode zu entwickeln, um mit der gegebenen Hardware (AFEx Habitat) und den gegebenen Umweltbedingungen auf der ISS eine möglichst gleichmäßige Bewurzelung der Stecklinge und einen gleichmäßigen Austrieb der Reserveknospen, ohne Pilzbefall, in den 25 - 30 Missionstagen zu erreichen.“ Bei der Hardware handelt es sich um zwei kleine Experimentiercontainer. „Die Versuchsbox ist ungefähr so groß wie eine Zigarettenschachtel“, erklärt Brigitte Schürman, „die Maße betragen neun mal fünf mal vier Zentimeter“.

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Pflanzenforschung auf engstem Raum: Zu sehen ist der Experimentiercontainer AFEx Habitat, bestehend aus zwei Kammern. Er ist kaum größer als eine Zigarettenschachtel. 

Pflanzenforschung auf engstem Raum: Zu sehen ist der Experimentiercontainer AFEx Habitat, bestehend aus zwei Kammern. Er ist kaum größer als eine Zigarettenschachtel. 

Bildquelle: © V3PO

Ficus Pumila auf Weltraummission

„Was wir also brauchen, ist ein Steckling mit kleinen Blättern“, erklären die Schüler. „Außerdem darf die Pflanze keine Probleme mit Temperaturschwankungen haben. Das ist deshalb wichtig, weil in der ISS Temperaturen um die 28°C herrschen. Für den Transport muss die Pflanze aber bei 4 °C gekühlt werden, um ihre Stoffwechselaktivität zu unterbinden.“ Wie erwähnt besitzen frische Stecklinge keine Wurzelanlage. Damit das bis zur Ankunft in der ISS auch so bleibt, müssen sie in den Winterschlaf versetzt werden. Die Suche nach der passenden Modellpflanze gehörte daher zu den ersten Aufgaben und Herausforderungen des Teams. „Geeinigt haben wir uns auf Ficus pumila, eine Feigenart. Sie bringt beides mit, hat als Steckling kleine Blätter und ist tolerant gegenüber Temperaturschwankungen.“

Vorteile des vegetativen Verfahrens im Weltraum nutzen

Doch warum überhaupt Stecklinge? Wäre es nicht einfacher und platzsparender, auf Samen zu setzen? Was das Gewicht und die Handhabung betrifft, vielleicht. Jedoch birgt das klassische Aussaatverfahren auch Risiken. „Die vegetative Vermehrung durch Stecklinge hat den Vorteil, dass bestimmte, gewünschte Eigenschaften einer Pflanze erhalten bleiben. Wohingegen bei der generativen Vermehrung mittels Samen das Risiko besteht, dass diese von Generation zu Generation verändert werden oder sogar verloren gehen“, erklärt Maria. „Auch die Ertragsmenge und -stabilität spielen eine Rolle“, ergänzt Brigitte Schürmann. Schließlich kann nicht ausgeschlossen werden, dass eine Pflanze im Weltraum plötzlich keine oder zumindest nicht keimfähige Samen bildet.

Stecklinge vor Pilzbefall schützen

Womit jedoch keineswegs alle Risikofaktoren beseitigt sind. Da ist zum Beispiel das Risiko des Pilzbefalls. Ein ständiger Begleiter bei der Arbeit mit Stecklingen, wie die Forscher wissen. Am BASF-Agrarzentrum im Limburgerhof absolvierten die drei Schüler kürzlich ein Praktikum, in dem sie u. a. lernten, wie man die zarten Stecklinge vor Pilzbefall schützt und vor dem Start richtig behandelt.

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Damit das V3PO-Projekt realisiert werden kann, sind die Schüler auf Spenden und Sponsoren angewiesen.

Über die Crowdfunding-Plattform "Sciencestarter" ist es möglich, ihnen unter die Arme zu greifen. 

www.sciencestarter.de/v3po

Bildquelle: © V3PO

Denn wenn der Versuch erst einmal gestartet ist, die Trägerrakete Richtung ISS abhebt, sind die Stecklinge bis zur Rückkehr auf sich allein gestellt. „Wir bereiten alles so vor, dass der Astronaut die Hardware nur noch an eine Stromquelle anschließen muss. Der Versuch läuft dann von selbst ab. Stecklinge, Licht, Nährboden, Kameras sind allesamt integriert. Da die Box wasserdicht ist, kann zumindest Trockenstress als Risiko ausgeschlossen werden.“

Der Blick in die Zukunft der Landwirtschaft

Dr. Harald Rang, Vizepräsident des Bereichs Forschung und Entwicklung von BASF Crop Protection erklärt begeistert: „Wir freuen uns auf diese Projekt und die Zusammenarbeit mit jungen Forschern, die vorausschauend denken und Spaß an innovativen Ideen haben. Mit über 100 Jahren Erfahrung in der Landwirtschaft ist der Blick in die ferne Zukunft und das große Ziel, auf einer Raumstationen Pflanzen anzubauen und zu vermehren, eine spannende Herausforderung für uns.“ Doch worin besteht eigentlich der Nutzen für die wachsende Bevölkerung auf Erden? Gibt es überhaupt einen? Da es sich um ergebnisoffene Grundlagenforschung handelt, wie das V3PO-Team betont, ist es verfrüht, konkrete Versprechen abzugeben.

Nutzen für die Menschen auf der Erde?

Angemessen ist es aber, auf Potenziale hinzuweisen. Und die gibt es. Nicht nur mit Blick auf die Versorgung von Astronauten auf Langzeitmissionen, sondern auch für die Bewohner der Erde, wie z.B. die ESA hervorhebt. Stichwort: Demographischer Wandel. Muskel- und Knochenschwund, Herz-Kreislauf-Probleme, Flüssigkeitsablagerungen gehören zu den sich schnell einstellenden, zum Glück aber vorübergehenden Symptomen eines Weltraumaufenthaltes. Auf der Erde sind es die klassischen Alterserscheinungen, die in einer alternden Gesellschaft immer mehr Menschen über einen immer längeren Zeitraum plagen.

Älter werden im Zeitraffer

Ernährungswissenschaftler sehen die Möglichkeit, diesen schleichenden, nicht aufzuhaltenden Prozess bei Astronauten im Zeitraffer zu beobachten. Während der Astronautenalltag zu einem Großteil aus dem Durchführen und Überwachen von Experimenten und Versuchen besteht, werden sie selbst zum Gegenstand der Forschung. Die Beteiligten erhoffen sich, Rückschlüsse oder Anhaltspunkte über den Einfluss der Ernährung, von Lebensmitteln und Inhaltsstoffen auf verschiedene spezifische Alterungsprozesse ziehen zu können. Das Ziel: Speziell auf die älteren Bevölkerungsschichten zugeschnittene Lebensmittelprodukte.

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Wenn alles klappt, wird Ficus pumila am Vorabend des Nikolaustages zur ISS aufbrechen.

Wenn alles klappt, wird Ficus pumila am Vorabend des Nikolaustages zur ISS aufbrechen.

Bildquelle: © NASA/ Wikimedia.org/ CC0

Geplanter Start ist am 5. Dezember 2015

Für das V3PO-Team ist das jedoch noch Zukunftsmusik. Zuerst geht es darum, die nächste Hürde zu nehmen: Die Finanzierung des Transports der Stecklinge von der Erde zur ISS und zurück. 50.000 € werden benötigt, die neben direkten Spenden über die Crowd-Funding Plattform sciencestarter eingesammelt werden sollen. Die Finanzierungsphase beginnt Mitte Juli und dauert 60 Tage. Anschließend wird nicht viel Zeit bleiben, um den Start am 5. Dezember 2015 vorzubereiten. Die Schüler hoffen, die Stecklinge Anfang Januar 2016 wieder in Empfang nehmen zu können, um die Ergebnisse auszuwerten. Im Idealfall würden diese dann pünktlich zum Regionalentscheid von „Jugend forscht“ zur Verfügung stehen, so die Hoffnung der jungen Forscher.

Was sind die Agrarsysteme der Zukunft?

Am Beispiel des V3PO Projekts zeigt sich, wie sich jugendliche Neugier, Einfallsreichtum und Erfindergeist entfalten, wenn die richtigen Rahmenbedingungen vorhanden sind. Sprich die richtige Ausbildung sowie Lehrkräfte mit Engagement, die die Eigenverantwortung ihrer Schüler unterstützen. Ebenso wichtiger ist aber auch die konkrete Fragestellung. Denn was sich die Luft- und Raumfahrt im kleinen Rahmen stellt, sind Fragen, die für die gesamte Gesellschaft, um nicht zusagen Menschheit, von Bedeutung sind. Wie können wir die Menschen mit gesunder Nahrung versorgen? Welche Agrar- und Anbausysteme werden dafür erstens nötig und zweitens realisierbar sein? Was sind die Agrarsysteme der Zukunft? Wie können im Jahr 2050 9 Milliarden Menschen ernährt, das Angebot verfügbarer Lebensmittel also verdoppelt werden?

Die Suche nach der Antwort ist kein leichtes Unterfangen. Wie im V3PO Projekt gilt es, sich mit den Gegebenheiten auseinanderzusetzen und gleichzeitig den Gedanken freien Lauf zu lassen. So lässt sich z.B. der Platzmangel in der ISS gedanklich auch auf die Flächenkonkurrenz auf der Erde übertragen. Das Thema Ressourcenknappheit ist für Landwirte und Astronauten gleichermaßen relevant. So unterschiedlich die Lösungen auch sein mögen, sie ähneln sich im Denkansatz.

An dieser Stelle sind nun auch Sie, liebe Leserinnen und Leser, gefragt. Sie können sich an der Debatte und Diskussion beteiligen und sich aktiv einbringen, indem Sie Ihre Ideen und Konzepte in den kürzlich gestarteten Wettbewerb der Visionen zu den „Agrarsystemen der Zukunft“ einbringen.

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