Pflanzenwachstum im All

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Das sagt der Autor des Artikels, Hendrik Feil über sich:
Ich komme aus Stade, gehe in die 12. Klasse und nehme am Seminarfach Astronomie teil und möchte nach der Schule Chemie studieren. In meiner Freizeit gehe ich zum Segelfliegen und engagiere mich im Technischen Hilfswerk.
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Pflanzenwachstum im All

In zahlreichen wissenschaftlichen Zeitschriften wird seit einiger Zeit über Pläne unterschiedlicher Unternehmen berichtet, welche entweder die Besiedlung anderer Planeten, z.B. den Mars, Reisen an den Rand unseres Sonnensystems oder einfach den Weltraumtourismus möglich machen soll. In den Artikeln wird Bezug auf die Technik der Raumschiffe oder den Aufbau der Stationen im All genommen. Jedoch bleibt ein sehr wichtiges Thema außen vor. Woher bekommen die Astronauten ihre Lebensmittel? Auf dem Mars gibt es schließlich nicht die Voraussetzungen für den Anbau von Getreide und Gemüse. Ich möchte in meinem Artikel über dieses Problem schreiben und bisher gefundene Lösungswege vorstellen.
Eine Versorgung der Menschen im All von der Erde aus, ist, wenn sie sich im erdnahen Orbit aufhalten, mit 20.000€ pro Kilogramm Lebensmittel noch relativ günstig und man bedenkt, dass die Reise derselben Fracht zum Mars bei rund einer Million Euro liegt . Da jeder Mensch aber mehr als ein Kilo Nahrungsmittel pro Tag (etwa 2000 Kilokalorien) braucht und mehrere Personen an der Mission teilnehmen, sind die Preise selbst in den Orbit auf Dauer zu hoch. Gewächshäuser im All können hier Abhilfe schaffen.
Pflanzen brauchen Licht und Nährstoffe zum Wachsen. Auf der Erde erhalten sie Licht von der Sonne und Nährstoffe aus der Erde und der Luft. Im All sind hierfür Solarpanele und Lampen nötig, denn beeinträchtigt durch den Schattenwurf und die Eigendrehung der Planeten, kann ohne diese Maßnahmen keine ausreichende Lichtversorgung gewährleistet sein. Pflanze und Mensch wären im All aufeinander angewiesen, denn im All herrscht ein Vakuum und die Atmosphären anderer Planeten enthalten nicht das ideale Gasgemisch für das Pflanzenwachstum. Die Versorgung der Stationen mit Kohlenstoffdioxid wäre ebenfalls zu teuer. Der Mensch könnte das benötigte Kohlenstoffdioxid und Wasser über seine Atmung liefern. Die Pflanze nimmt dieses auf und wandelt es in den vom Menschen benötigten Sauerstoff um und produziert für ihren Eigenbedarf Glukose.
6 CO2 + 6 H2O ⇌ C6H12O6 + 6 O2
Die menschlichen Ausscheidungen können desweiteren als Nährstoffe weiterverwendet werden. Erste Versuche werden zurzeit vom Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum getestet. Die unbemannte Mission EU:CROPIS soll testen, ob eine solche Lebensgemeinschaft bestehen kann. Dafür wird eine Lebensgemeinschaft aus mehreren Bakterien und zwei Tomatenpflanzen in einem Satelliten auf eine Höhe von 600 km gebracht. Die Bakterien leben während der Mission in einem Rieselfilter. Dort wird künstlicher Urin aus Vorratsbehältern in für die Tomatenpflanze verwendbaren Dünger umgewandelt. Der vom Mensch produzierte Harnstoff zerfällt. Dabei entsteht Ammoniak und Kohlenstoffdioxid.

CO(NH2)2 + H2O → CO2 + 2 NH3
Das Ammoniak wird von den Bakterien bei der sogenannten Nitrifikation zunächst zu Nitrit und dann zu Nitrat umgesetzt.
NH3 + 3 O2 → 2 NO2- + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 → 2 NO3-
Nitrat ist ein sehr guter und wichtiger Nährstoff für Pflanzen, denn der enthaltene Stickstoff ist sehr wichtig für die Bildung von Aminosäuren, welche wiederum für den Aufbau von Proteinen verwendet werden. Überschüssiges Ammoniak wird von dem Einzeller Euglena abgebaut um die Pflanze vor schweren Schäden zu schützen. Ammoniakmoleküle reagieren mit Wassermolekülen in einer sogenannten Säure-Base Reaktion zu Ammonium-Ionen und Hydroxid-Ionen.
NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH-
Ammonium-Ionen könnten von der Pflanze ebenfalls als Nährstoff aufgenommen werden. Es besteht jedoch die Gefahr, dass die Pflanze durch die Hydroxid-Ionen geschädigt wird, da diese eine starke Base sind und somit den pH-Wert der Umgebung stark erhöhen. Eine Atmosphäre wird dabei durch einen Drucktank simuliert. Ein Tag-Nacht Rhythmus wird durch eine LED- Beleuchtung simuliert. (1)

Nährstoffversorgung wäre durch die oben genannten Maßnahmen kein Problem, doch ein ganz wichtiger Punkt fehlt noch, die Schwerkraft. Seit dem Anbeginn der Erde hat sich in Bezug auf die Umwelt viel geändert, wie zum Beispiel der Aufbau der Atmosphäre oder die herrschenden Temperaturen. Die Schwerkraft oder Gravitation ist konstant geblieben. Sie spielt eine wesentliche Rolle bei den chemischen und physikalischen Abläufen in jedem Lebewesen, hat also Einfluss auf deren Entwicklung, Fortpflanzung und Stoffwechsel.
Die ersten Lebewesen haben sich im Wasser entwickelt. Schon hier war die Schwerkraft überlebenswichtig. Welchen Einfluss diese Kraft auf die Evolution hat, sieht man besonders gut, als die ersten Tiere bzw. Pflanzen begannen an Land zu leben und zu wachsen. Tiere mussten ein stabileres Skelett entwickeln, damit sie ihr Gewicht bzw. ihren Körperbau aufrechthalten halten können, so auch Pflanzen. Ihre Struktur musste sich so wandeln, dass sie ihr eigenes Gewicht halten können und nicht einfach umfallen. Einiges hat sich nicht gewandelt. So sind Pflanzen an Land und im Wasser Bewegungen ihres Umfelds ausgesetzt. Im Meer sind dies die Gezeiten oder Meeresströmungen, an Land ist es der Wind. Gewächse müssen sich also an etwas verankern um diesen Kräften entgegen zu wirken, um nicht weggespült oder weggeweht zu werden. Diesen Halt findet die Pflanze in der Erde und am Meeresgrund mit Hilfe ihrer Wurzeln.
Doch woher weiß die Natur wo der Boden ist? Die Gravitation der Erde wirkt stets in Richtung ihres Mittelpunkts, also zum Erdkern hin. Stellen wir uns nun eine Zelle vor. In ihrem Inneren schwimmen unterschiedlich schwere Ionen und Moleküle umher. Schwerere Teilchen schwimmen dabei im unteren Bereich und leichtere oben. Diesen Effekt macht sich die Pflanze zu nutzen. Die schweren Teilchen nennt man in dem Zusammenhang Statholiten. Häufig sind diese Teilchen Stärkemoleküle. Wieso der Organismus daher weiß, wo oben und unten ist, ist bisher nicht genau geklärt. Forscher meinen, es könne an den aus der unterschiedlichen Verteilung resultierenden Drücken auf andere Strukturen im Organismus liegen. Die Pflanze weiß daher wo der Erdboden bzw. der Erdmittelpunkt ist. In der entgegengesetzten Richtung muss folglich die Erdoberfläche sein. Die Pflanze weiß folglich in welche Richtung die Wurzeln und in welche Richtung die Blätter wachsen müssen. Die Fähigkeit sich an der Gravitation der Erde zu orientieren nennt man bei Pflanzen Gravitropismus. Die Fähigkeit sich an der Richtung des Lichts zu orientieren nennt man Phototropismus. Sowohl Erde als auch Luft und Sonne spielen schließlich eine entscheidende Rolle beim Wachstum, Kohlenstoffdioxid und Licht auf der Erdoberfläche für die Photosynthese und das Entnehmen von Nährstoffe aus dem Erdboden. Wir sehen jetzt, dass die Schwerkraft sehr wichtig für das Pflanzenwachstum ist. Deshalb werden im All Zentrifugen benutzt um die Schwerkraft zu simulieren. Wenn sich Zentrifugen drehen beginnen Kräfte zu wirken. Die erzeugten Kräfte kennen wir alle aus unserer Kindheit vom Spielplatz oder Jahrmarkt. Die sogenannte Zentripetalkraft. Wenn ein Körper sich auf einer Kreisbahn mit einer Geschwindigkeit bewegt, wirkt eine nach außen gerichtete Kraft auf ihn. Diese sorgt beim Kettenkarussell dafür, dass die Mitfahrer nach außen weggedrückt werden.

Masse m – blau; Geschwindigkeit v – grün; Zentrifugalkraft – hellrot; Zentripetalkraft – dunkelrot
Doch wie schnell müsste z.B ein Satellit mit einem Gewächshaus sich um seine eigene Achse drehen um Schwerkraftbedingungen des Mondes zu simulieren? Wir gehen in unseren Überlegungen von einer ausgewachsenen Tomatenpflanze von 20 Zentimeter Höhe aus. Weiteres zu der Pflanze wird im nächsten Kapitel erläutert. Wir nehmen an, dass die Pflanze mit ihrem Boden und kleineren Bauteilen zur Nährstoffversorgung etwa 5 Kilogramm wiegt. Der Radius beträgt 35 Zentimeter, denn die Wurzel der Pflanze wird vermutlich auf einer Kreisbahn mit dem genannten Radius liegen. Auf dem Mond herrscht nun die 0,16 fache Gravitation der Erde. Unsere Formel lösen wir zunächst nach der Geschwindigkeit v auf. Sie lautet dann Wurzel aus Kraft mal den Radius geteilt durch die Masse (√(F*r)/m. Wir berechnen dann die Schwerkraft, welche auf die Tomatenpflanze auf der Erde wirkt. Die Formel lautet F=m*g (Masse mal den Ortsfaktor in Mitteleuropa). Wir berechnen die Schwerkraft indem wir die Werte einsetzen. 5 Kilogramm mal 9.81 m/s² ergeben eine Gravitation von 49,05 Newton. 16 Prozent davon sind 7,848 Newton (49,05 N *0,16 =7,848 Newton). Wir setzen diesen Wert nun in unsere Formel ein, mit der wir die Zentrifugalkraft berechnen wollen. Die Wurzel aus 7,848 Newton mal 35 Zentimeter Radius geteilt durch die Masse von 5 Kilogramm ergibt eine Geschwindigkeit von 0.741 Metern pro Sekunde. Umgerechnet mit dem Faktor 3,6 in Kilometer pro Stunde muss sich der Satellit mit einer Geschwindigkeit von 2,66 Kilometern pro Stunde um die eigene Achse drehen um die Schwerkraft des Mondes zu simulieren. Wenn man die Geschwindigkeit des Marses simulieren will muss eine kleine Änderung vorgenommen werden. Mit der oben genannten Formel unter denselben angenommenen Werten, muss die Geschwindigkeit von 2,668 auf 4,112 Kilometer pro Stunde erhöht werden. Die Zentrifugalkraft würde nun die Schwerkraft des Marses, welche die 0,38 fache Schwerkraft der Erde ist, simulieren. (2)
Verfasst von Hendrik Feil aus Stade
Anhang
(1) Der Absatz enthält Informationen von folgender Website.
https://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10081/151_read-17874/#/gallery/23027
aufgerufen am 30.08.16
(2) Der Absatz enthält Informationen von folgender Website.
https://www.esa.int/ger/ESA_in_your_country/Germany/WAICO_Wie_orientieren_sich_Pflanzen_ohne_Schwerkraft
aufgerufen am 30.08.16