Energiemesstechnik Energieeffizientes Gemüse im Weltraum anbauen

Autor / Redakteur: Sariana Kunze / Sariana Kunze

Wer im Weltall Gemüse anbauen will, muss den Energiebedarf dafür genau kalkulieren. Das DLR-Forschungsprojekt Eden ISS analysiert deshalb in einem Gewächshaus-Container in der Antarktis unter realen Bedingungen den Stromverbrauch mittels Energiemesssystem.

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Ein Gewächshaus im All sorgt für gesunde Weltraumkost. Diese Idee soll nun bei einer Antarktis-Mission erstmals getestet werden
Ein Gewächshaus im All sorgt für gesunde Weltraumkost. Diese Idee soll nun bei einer Antarktis-Mission erstmals getestet werden
(Bild: EDEN ISS / EDEN ISS / DLR / CC BY 3.0 / BY 3.0)

Was macht ein Astronaut und Botaniker, wenn er von seiner Crew auf dem Mars zurückgelassen wird? Nach den Vorstellungen von Hollywood baut „Der Marsianer“ – von Matt Damon gespielt – eine Kartoffelzucht in der Marsstation auf und sichert so sein Überleben. Was nach einer tollen, aber überzeichneten Idee der Filmmacher klingt, ist tatsächlich Realität. Denn der perspektivische Langzeitaufenthalt von Menschen im Weltraum erfordert die Entwicklung bioregnerativer Systeme zur Lebenserhaltung, insbesondere zum Anbau höherer Pflanzen, weil sie für die Lebensmittelproduktion, Kohlendioxidsenkung, Sauerstoffproduktion, Wasserwiederaufbereitung und für das Abfallmanagement eingesetzt werden können. Außerdem sind frisch geerntete Produkte nicht nur für die körperliche Gesundheit nützlich, sondern sie wirken sich auch positiv auf das psychische Wohlergehen der Besatzung aus.

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Um dieses Zukunftsszenario unter den im Weltall vorherrschenden Extrembedingungen zu testen, wurde das Forschungsprojekt Eden ISS ins Leben gerufen. Mit einem Gewächshaus-System will das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit 13 internationalen Partner den Anbau und die Zucht von zahlreichen Salatsorten, Spinat, Kräutern, Gurken, Tomaten, Paprika und Erdbeeren unter realen Bedingungen testen. Zur All-Vorbereitung ist die Antarktis ideal: Mit Kälte, Sturm, Schnee und Dunkelheit ist die Umgebung ausgesprochen lebensfeindlich. Zudem müssen alle benötigten Mittel zum Leben und Arbeiten – wie auch im Weltall – mitgebracht oder selbst erzeugt werden.

Seit Dezember 2017 untersuchen die Mitglieder der Forschungsgruppe deshalb für ein Jahr auf der Forschungsstation Neumeyer III in der Antarktis den Pflanzenanbau für zukünftige Raumstationen und Habitate auf Mond und Mars. Das Projekt wurde offiziell im März 2015 gestartet und wird im Rahmen des Horizon-2020-Forschungsprogramms der Europäischen Union mit einem Wert von 4,5 Mio. Euro gefördert. Anders als im Film wird das Gewächshaus in der Antarktis nicht die Ernährungsgrundlage der Expeditionsteilnehmer bilden, das frische Gemüse soll vielmehr eine vitaminreiche Ergänzung des Speiseplans darstellen – sofern die gärtnerischen Fähigkeiten der Ingenieure von der Aussaat bis zur Ernte der Pflanzen ausreichen. Mit dieser Mission wollen die Forscher aber nicht nur herausfinden, wie viel gesunde Nahrung sich im Weltraum züchten lässt, sondern auch wie viel Raum und Energie dafür benötigt wird.

Energiemesstechnik analysiert Weltraumgewächshaus

Als Gewächshaus dienen zwei miteinander verschraubte, 6 m lange Schiffscontainer, die auf eine externe Plattform ca. 300 m südlich der Neumeyer-Station III aufgesetzt wurden. Während des Versuchsjahres sollen die Schlüsseltechnologien für Weltraumgewächshäuser verifiziert und darüber hinaus auch Wissen und Erfahrung im Umgang mit sämtlichen darin eingesetzten Systemen gesammelt werden. Nicht zuletzt müssen der Energiebedarf des Weltraumgewächshauses untersucht und Einsparmöglichkeiten identifiziert und umgesetzt werden. Dafür wurde eine Messlösung gesucht, wie sie Unternehmen für die Verbesserung der Energieeffizienz nach dem Energiedienstleistungsgesetz einsetzen. Die Forschungsgruppe entschied sich für Diris Digiware von Socomec, ein Unternehmen, das sich mit der Energieversorgung und Energieeffizienz in Niederspannungsnetzen beschäftigt.

Die gesamte Gewächshaus-Testanlage ist kompakt und hoch integriert. Konkret bedeutet das, dass der Platz für jedes einzelne System, auch für den Energieverteilerschrank, streng begrenzt ist. Kompaktheit war deshalb ein entscheidendes Auswahlkriterium für die Energiemesslösung, damit die Größe des Verteilerschranks zugunsten von weiterem wissenschaftlichem Equipment verringert werden kann. Der modulare und flexible Aufbau der Messlösung ermöglicht dabei die Analyse des Energiebedarfs auf platzsparende Art und Weise.

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Die Lösung lässt sich aus Stromsensoren, Strommessmodulen, Spannungsmessmodul und Anzeigegerät zusammenstellen, wobei einzelne Module platzsparend gemeinsam genutzt werden können. Durch die Genauigkeit der Messsensoren kann die für wissenschaftliche Auswertungen notwendige Güte erreicht werden. Zudem liegt die Genauigkeit nach IEC 61557-12 bei Klasse 0,5 für die gesamte Messkette bei 2 bis 120 Prozent des Primärstroms und bei Klasse 0,2 für das Messgerät allein.

Mit 36 Messpunkten die Energieeffizienz verbessern

Für Eden ISS wurde eine maßgeschneiderte Diris Digiware-Lösung aus 36 Messpunkten, Anzeigeeinheit und Kommunikationseinheit zusammengestellt und im Gewächshaus installiert. Teilbare und flexible Sensoren reduzieren dabei den Montageaufwand auf ein Viertel gegenüber traditionellen Messsystemen, und das Plug & Play-Konzept, bei dem die Module und Kabel mit Klickverschlüssen verbunden werden, vermeidet Anschluss- und Installationsfehler. Während der Antarktisexpedition wird das Energiemesssystem wertvolle Daten zum Energieverbrauch der einzelnen Subsysteme und Komponenten liefern. Mit Hilfe dieser Daten wird es den Wissenschaftlern des DLR möglich sein, genaue Aussagen über den Energiebedarf eines Weltraum-Gewächshauses zu treffen und Komponenten zu identifizieren, bei denen die Energieeffizienz verbessert werden muss.

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