LONDON (IT BOLTWISE) – Am USF-ASTRA-Center arbeiten interdisziplinäre Teams an nachhaltiger Raumfahrt-Landwirtschaft für Mond- und Marsmissionen. In Laboren werden Pflanzen und Mikroben unter simulierten Raum-Bedingungen untersucht, während Membran-Bioreaktoren menschliche Abfälle zu Pflanzennährstoffen aufbereiten. Zusätzlich testen automatisierte Gewächshäuser in CubeSats, wie Pflanzen und sogar bestimmte Pilze im erdnahen Orbit wachsen. Ziel ist nicht nur Nahrung an Bord, sondern auch Anwendungen für Regionen mit schwacher Abwasserinfrastruktur an Land.
Wer an Landwirtschaft denkt, verbindet sie meist mit Erde, Regen und stabilen Jahreszeiten. In der Raumfahrt gelten diese Grundannahmen jedoch nicht: Extreme Temperaturen, Strahlung und ein Leben in geschlossenen Systemen machen es fast unmöglich, einfach „wie zuhause“ anzubauen. Genau deshalb bündelt die University of South Florida (USF) über ihr Aerospace: Science, Technology, Research and Applications Center (ASTRA) mehrere Forschungsstränge, die Pflanzenbiologie, Mikrobiologie, Verfahrenstechnik und Mess-Engineering miteinander verzahnen. Die Leitidee dahinter ist simpel und zugleich anspruchsvoll: Wenn sich Kulturen in Mond- oder Marsumgebungen zuverlässig steuern lassen, wirkt sich das auch auf die Versorgungssicherheit von Missionen mit langen Zeiträumen aus.
Ein Schwerpunkt liegt auf Raumfahrt-tauglicher Pflanzenbiologie, die nicht im Labor „ausgedacht“, sondern an robusten Erdmodellen erarbeitet wird. Im Team um die Associate Professor Christina Richards geht es besonders um Küstenpflanzen wie die Spartina alterniflora und vor allem Rote Mangroven. Richards beschreibt den wissenschaftlichen Anspruch in den eigenen Worten: „Space agriculture is about understanding how to grow plants in extremely difficult environments.“ Aus dem Ansatz folgt auch der methodische Weg: Zuerst will das Team Erdsysteme nutzen, um über Genomik und experimentelle Stressmodelle zu verstehen, wie Pflanzen ihre Abwehrmechanismen regulieren. Auch die Zusammenarbeit mit Integrativbiologie-Forschenden ist dabei keine Randnotiz, sondern Teil des Designs: Die Mangroven-Spezies dienen als Modell, um die Rolle der Mikroben rund um die Wurzeln bei Belastungen durch veränderte Wasserqualität und Umweltstress zu klären. Der nächste Schritt soll dann folgen: Tests in Raum-Umgebungen, bei denen nicht nur die Pflanze, sondern auch ihr mikrobielles Umfeld unter kontrollierten Bedingungen untersucht werden.
Parallel dazu arbeiten Forschende an einem zweiten, oft unterschätzten Engpass der Raumagrafie: Nährstoffe und Recycling. Im Membrane Biotechnology Lab von Professor Daniel Yeh entsteht ein Ansatz, der menschliche Abfälle nicht als Problemstoff betrachtet, sondern als Rohstoffstrom. Das Kernprinzip ist ein organisches Prozessor-Assembly-Setup mit anaeroben Mikroorganismen, das Abfallströme zersetzt und dabei eine nährstoffreiche Flüssigkeit erzeugt, die sich wie eine wässrige Pflanzennährlösung nutzen lässt. Alexandra Smith, Graduate Student im Yeh-Labor, bringt den ökonomischen Druck im All in einen Satz: „Transporting supplies into space is extremely expensive, and every pound of payload matters.“ Statt Nährstoffe zu entfernen, sollen sie in geschlossenen Wachstumssystemen erneut verfügbar werden – und zwar so, dass Astronautinnen und Astronauten auch bei langen Missionen nachhaltig versorgt werden können. Für den Erdbetrieb öffnet sich daraus ein zweiter Markt: In Regionen ohne zentrale Abwasserinfrastruktur könnten dezentrale Systeme wie dieses einen Behandlungskreislauf ermöglichen, bei dem Ressourcen zurückgewonnen werden. Dass das Konzept nicht nur theoretisch ist, zeigt das Beispiel bok choy: Die Forschenden haben damit bereits Bodenfreiheit getestet, also Pflanzenwachstum mit den rückgewonnenen Nährstoffen.
Noch einen Schritt näher an der Rauminstallation führt die Idee automatisierter Gewächshäuser in Miniatursatelliten. In kleinen, boxförmigen CubeSats in niedriger Erdumlaufbahn werden Pflanzen in kontrollierten Mikro-Lebensräumen untersucht. Diese Systeme sollen, so die Motivation, zusätzliche Messpunkte liefern, während Mond- und Marsprogramme operativ konkreter werden. Arash Takshi, Professor an der USF, ordnet das Interesse ein: „NASA wanted additional ways to study plants in space as moon and Mars missions became more serious priorities.“ Entscheidend ist die Erkenntnis aus den Experimenten: Pflanzen reagieren extrem empfindlich auf einzelne Umweltvariablen. Schon Änderungen bei Gaszusammensetzung, Luftfeuchtigkeit, Feuchte oder Beleuchtung wirken sich messbar auf das Wachstum aus. Takshi begann dazu zunächst mit einem Prototyp „im eigenen Umfeld“ – später entwickelte sich die Lösung weiter zu einer Plattform mit Sensorik, Kamera- und Gasmonitoring. Damit verschiebt sich die Arbeit weg von reiner Biologie hin zu einer gleichzeitigen Steuerung mehrerer Parameter in einem sehr engen Bauraum.
Aus dieser Komplexität ergibt sich auch der nächste logische Forschungsschritt: Nicht nur Pflanzen, sondern auch Pilze. In der CubeSat-Umgebung müssen biologische und physikalische Faktoren synchron gehandhabt werden; die Teamentscheidung, zusätzlich Fungi zu untersuchen, folgt einer praktischen Überlegung zur Robustheit. Einige Pilze wachsen schneller und tolerieren extreme Bedingungen besser als Pflanzen, und bestimmte Arten werden zudem auf ungewöhnliche Strahlungszusammenhänge hin betrachtet. Für NASA-orientierte Langzeitmissionen ist das relevant, weil biologische Unterstützungssysteme nicht nur „Food“ liefern müssen, sondern auch als Teil eines Lebensunterstützungs- und Wartungskonzepts funktionieren sollen. Was technisch nach Laborarbeit klingt, ist in Wahrheit ein Engineering-Problem: Custom-Sensor-Elektronik und geeignete Messprotokolle bestimmen, ob sich Zustände im Orbit zuverlässig erfassen lassen. Takshi beschreibt den Übergang aus einer rein technischen Perspektive hin zu einer breiteren Expertise im Team: „At first, I approached the work entirely from an engineering perspective focused on sensors and electrical systems.“ Später habe man die Biologie-Kompetenz von Dr. Richards und Dr. Yeh einbinden müssen.
Historisch betrachtet ist die Idee, Pflanzen im Weltraum zu beobachten, nicht neu. Neu ist aber die Systemtiefe, mit der heute an geschlossenen Kreisläufen gearbeitet wird: Während frühere Experimente häufig auf die Frage „Kann es grundsätzlich wachsen?“ hinausliefen, adressieren diese USF-Ansätze konkrete Komponentenketten. Dazu gehören Nährstoffrückgewinnung, die Steuerung mikroklimatischer Parameter in kompakten Satelliten und die Untersuchung von Pflanzen-Mikroben-Interaktionen als biologischer „Resilienzverstärker“. Für Unternehmen in der KI-gestützten Automatisierung oder der Sensorik-Entwicklung kann das besonders interessant sein: Sobald Messdaten aus Orbit-Tests anfallen, wird die Auswertung häufig zu einem datengetriebenen Regelungsproblem. KI-gestützte Modelle können helfen, Zusammenhänge zwischen Umweltsignalen und Wachstumsvorgängen zu erkennen und Steuerparameter im nächsten Iterationszyklus effizienter zu justieren – vorausgesetzt, die Laborsysteme liefern robuste, vergleichbare Datensätze.
Für den Markt bedeutet das insgesamt: Raumfahrt-Landwirtschaft wird stärker vom „Experimentierfeld“ hin zur wiederholbaren Technologie. Die Mischung aus Labor-Simulationen, Satellitentests und Recycling-Technik deckt mehrere Risiken gleichzeitig ab – von der Biologie über die Versorgung bis zur messbaren Regelbarkeit. Gleichzeitig entstehen Parallelanwendungen an Land: Dezentrale Abwasseraufbereitung und Ressourcengewinnung sind in vielen Regionen ein politisch und infrastrukturell drängendes Thema, aber oft mit hohen Investitionshürden verbunden. Wenn Verfahren wie die Membranbioreaktor-Technologie aus Off-Grid-Setups heraus skaliert werden, kann der Nutzen nicht nur in der Raumfahrt bleiben. Für die USF zeigt sich damit auch strategisch ein klarer Weg: Statt einzelne Projekte losgelöst zu betreiben, bauen die Teams an einer durchgängigen Pipeline von der Pflanzenbiologie bis zur technischen Umsetzung, die künftig sowohl Mond- und Marsmissionen als auch herausfordernde Umweltbedingungen auf der Erde bedienen kann.
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