Universität für Bodenkultur, Wien Deutsches Zentrum für Luft-und Abteilung Wein-und Obstbau Raumfahrt (DLR), Bremen Department für Nutzpflanzenwissen- Institut für Raumfahrtsysteme schaften (DNW) Analyse von Säulenapfelbäumen für den Einsatz in extraterrestrischen Habitaten (EVA System – Evaluation of Apple Trees in Bioregenerative Life Support System) Master’s Thesis zur Erlangung des akademischen Grades Master of Science eingereicht von Markus Dorn, B. Sc. Betreuer: Prof. Dr. Astrid Forneck Dipl.-Wi. Ing. Daniel Schubert Wien, im Juli 2015 Eidesstattliche Erklärung Ich versichere an Eides Statt, dass ich die beiliegende Master-Arbeit selbstständig verfasst, keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt, sowie alle wörtlich oder sinngemäß übernommenen Stellen in der Arbeit gekennzeichnet habe. Ferner gestatte ich der Universität für Bodenkultur, die beiliegende Master-Arbeit unter Beachtung insbesondere datenschutz- und wettbewerbsrechtlicher Vorschriften für Lehre und Forschung zu nutzen. Ich weiß, dass jede Weitergabe meiner Master-Arbeit bzw. deren Ergebnisse an Dritte oder eine Publikation der Zustimmung des ersten Gutachter bedarf. Mir ist bekannt, dass die Fakultät die Master-Arbeit von der Öffentlichkeit ausschließen kann. Wien, den ___________________________ 2 Danksagung Die Suche nach dem geeigneten Anbaurezept für Pflanzen im Weltall wird fortgesetzt – und ein zweites Mal habe ich die Möglichkeit einen aktiven Beitrag zu dieser Thematik zu leisten. Erste Tests und Experimente konnte ich dieses Mal in einem abgeschlossenen Laborsystem durchführen und bin gleichzeitig beeindruckt und überwältigt von den vielen modernen technischen Möglichkeiten. Je tiefer man sich jedoch mit dem Bereich der Pflanzenzucht im Weltall auseinandersetzt, desto mehr erfordert es Ideenreichtum, Ausdauer und Motivation - auch bei Rückschlägen, die nicht selten vorkamen. Trotzdem ist es fantastisch nach drei Jahren sprichwörtlich „ein paar Früchte der eigenen Arbeit zu ernten.“ Ich möchte zunächst an dieser Stelle all denjenigen danken, die mich gedanklich, finanziell und vor allem emotional unterstützt haben. Dazu gehören:  Daniel Schubert, ohne den mein zweiter Aufenthalt in Bremen nicht möglich gewesen wäre und auch für seinen außergewöhnlichen Ideenreichtum  Prof. Dr. Astrid Forneck von der Universität für Bodenkultur für das Vertrauen in mein Unterfangen und die inhaltlichen Impulse für die Arbeit  Ganz besonders den restlichen Mitgliedern des EDEN Teams, welches mich tatkräftig unterstützt hat und durch einen aktiven Gedankenaustausch zur permanenten Weiterentwicklung des Systems beitrug  Meine Eltern und meine Freundin für die aufbauenden Worte aber auch liebevollen Ablenkungen Zu guter Letzt gebührt mein Dank allen fachfremden Menschen, mit denen ich mich über das Thema unterhalten habe und die mich mit kritischen Fragen in meinen Gedanken gelenkt haben. 3 Abb. 1 – Zwergapfelbaum oder “Zwerg mit Apfelbaum” [1] „Einst hatte ich einen schönen Traum: Da sah ich einen Apfelbaum, Zwei schöne Äpfel glänzten dran; Sie reizten mich, ich stieg hinan. Der Äpfelchen begehrt Ihr sehr, Und schon vom Paradiese her. Von Freuden fühl ich mich bewegt, Daß auch mein Garten solche trägt.“ (Zitat von J. W. Goethes „Faustus“) 4 Kurzfassung Die Beobachtung und Erforschung des Weltalls hat eine lange Geschichte in den verschiedenen Menschheitsepochen und geht oft mit dem Wunsch einher, andere Planeten zu kolonisieren. Im Bereich der bemannten Raumfahrt wurde am Institut für Raumfahrtsysteme am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen (Deutschland) eine neue Forschungsinitiative mit dem Namen EDEN (Evolution and Design of Environmentally-closed Nutrition-sources) eingeleitet. Das Ziel besteht darin effiziente Lebenserhaltungssysteme für den Einsatz in extraterrestrischen Habitaten zu entwickeln. Moderne Gewächshaustechnologie wird dazu eingesetzt, bewertet und in laufenden Pflanzenexperimenten getestet. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Anbaumethode für Apfelbäume mit Säulenform für den Einsatz in extraterrestrischen Habitaten wie zum Beispiel Mond- oder Marsstationen. Für diesen Zweck wurde eine Pflanzenkammer (EVA-System „Evaluation of apple trees for Life Support Systems“) im institutseigenen EDEN Labor aufgebaut. Verschiedene CEA Technologien wie ein aeroponisches Nährstoffversorgungssystem und ein LED Modul für die Pflanzenbelichtung wurden integriert. Darüber hinaus wurde die EVA-Anbaukammer mit anderen Anbaukammern und einem Luftmanagement System verbunden. Nach dem Systemaufbau wurden drei aufeinanderfolgende Experimente durchgeführt mit jeweils drei verschiedenen Anbaumethoden und unterschiedlichen Anpassungen der Klimasollwerte. In allen Experimenten konnte eine schnelle Anfangsentwicklung der Blütenorgane festgestellt werden. In der Folge traten jedoch vermehrt Wurzelpathogene auf und zwangen die Experimente zum Abbruch, um weitere Laborverunreinigungen zu vermeiden. In einer Fehleranalyse wurden verschiedene Problembereiche analysiert und anschließend diskutiert. Abschließend wird eine neu iterierte Anbaumethode mit überarbeiteten Zielsollwerten, sowie Empfehlungen für weitere Forschungsaktivitäten vorgestellt. Schlagwörter Apfel; CEA; Lebenserhaltungssystem; Extraterrestrisch; Habitat 5 Abstract Space related research has a long history in different human eras and often accompanies the wish to colonize other planets. In this field of human space flight, the Institute of Space Systems at the German Aerospace Centre in Bremen (Germany) has announced a new research initiative for developing efficient life support systems for long term missions in extraterrestrial habitats called EDEN (Evolutionary Design of environmentally closed and nutrition-sources). Modern greenhouse technology especially controlled environment agriculture (CEA) is designed, evaluated and tested in ongoing plant experiments. The presented master’s thesis deals with the development of a cultivation method for columnar apple trees for the usage in extraterrestrial habitats including moon or mars stations. For this purpose a new plant cultivation chamber (EVA-System “Evaluation of apple trees for Life support systems”) was built inside of the institute’s EDEN lab. Different CEA technologies like an aeroponic fertigation system and LED modules for plant lighting were integrated. Above that, this growth chamber was connected with other chambers in the lab and with the central air management system. After building up the system, three consecutive experiments were carried out. Within these experiments three different cultivation methods were tested with each time adapted target values for the climate. In all three experiments a fast development of blooming organs could be detected in the beginning. Subsequently rooting pathogens occurred and forced all experiments to shut down to avoid further contamination of the lab. In an analysis of errors different problematic aspects will be analysed and discussed. Finally a newly iterated cultivation method is presented as well as proposals for future experiments including adapted target values for the climate. Keywords Apple; CEA; Life Support System; extraterrestrial; habitat 6 Vorwort über die EDEN Initiative Am Institut für Raumfahrtsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen beschäftigt sich seit 2011 eine Forschungsinitiative mit dem Namen EDEN (Evolution and Design of Environmentally-closed Nutrition-sources) mit bioregenerativen Lebenserhaltungssystemen (BLSS). Das Hauptanliegen ist die Entwicklung und Bewertung innovativer Gewächshaussysteme für den zukünftigen Einsatz in extraterrestrischen Habitaten auf Langzeitmissionen. Nach verschiedenen theoretischen Vorstudien zu einzelnen Subsystemen eines BLSS wurde Anfang des Jahres 2014 ein Labor eingeweiht, welches seitdem als Testbett verschiedener CEA – Technologien verwendet wird. Die folgende Aufzählung gibt einen groben Überblick über die getesteten Geräte und Systeme:  Air Management System (AMS) zur Beeinflussung des Raumklimas  Computer gestützte Kontrollsysteme zur Steuerung des AMS  Innovative Sprühsysteme für erdelose Kulturverfahren (Aeroponik und Hydroponik)  Neuartige Systeme zur künstlichen Pflanzenbeleuchtung (LEDs)  CO Injektionssysteme 2  Systeme zur Nährstoffmischung und -applikation  Ionen-Selektive Sensoren zur Bestimmung des Nährstoffversorgungszustand  Verletzungsfreies Stress-Monitoring  Design von Wachstumsunterkünften für verschiedene Pflanzenkandidaten  Vollständige Systembewertung (In- und Outputs) Abgeleitet von den zuvor genannten Schwerpunkten der Forschungsaktivität, gibt es verschiedene Bauabschnitte, die chronologisch durchgeführt wurden und in einem laufenden Entwicklungsprozess bearbeitet werden. Die erste Phase widmete sich dem Aufbau des Labors mit seinen drei funktionalen Räumen: Analysebereich, Arbeitsbereich und Bio-Reinraum. Anschließend wurden alle benötigten Subsysteme (AMS, LED Belichtung, Sprühsysteme etc.) integriert und zunächst in Funktionstests überprüft. Nach erfolgreicher Erstdurchführung konnten erste Tests mit Pflanzen und einzelnen Elementen durchgeführt werden, um mögliche Fehlerquellen und Problembereiche aufzuspüren. Als das Labor danach weitgehend einsatzbereit war, werden nun im laufenden Prozess Pflanzenexperimente angesetzt, in denen geeignete Anbaurezepte im Hinblick auf die Belichtungsmenge, Tageslängen, den Nährstoffmix und Nährstoffsprühintervalle herausgefunden werden sollen. Das Ziel dieser Tests ist das Finden von Möglichkeiten zur Verkürzung der Kulturdauer, Erhöhung der Erntemenge und eine Reduzierung des Ressourceneinsatzes. Die Erfahrungen und Ergebnisse aus dem experimentellen Prozess sollen schließlich für die Konstruktion eines mobilen Anbaucontainers für analoge Testreihen auf der Erde verwendet werden. Die deutsche Neumayer - Forschungsstation des AWI wird dabei in der Antarktis als erste Station dienen. 7 Inhaltsverzeichnis Eidesstattliche Erklärung ............................................................................................................................ 2 Danksagung ................................................................................................................................................ 3 Kurzfassung ................................................................................................................................................ 5 Abstract ...................................................................................................................................................... 6 Vorwort über die EDEN Initiative ............................................................................................................. 7 Inhaltsverzeichnis ....................................................................................................................................... 8 I Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................................... 10 II Tabellenverzeichnis .............................................................................................................................. 12 III Abkürzungsverzeichnis ....................................................................................................................... 13 1 Einleitung ......................................................................................................................................... 14 2 Fragestellung .................................................................................................................................... 16 2.1 Ziele .......................................................................................................................................... 16 3 Literaturüberblick und Datengrundlage............................................................................................ 17 3.1 Extraterrestrische Habitate und Lebenserhaltungssysteme ...................................................... 17 3.2 Bioregenerative Lebenserhaltungssysteme (BLSS) ................................................................. 18 3.3 Subsysteme ............................................................................................................................... 19 3.4 Bedeutung von Pflanzen im extraterrestrischen Habitat .......................................................... 20 3.5 Anforderungen an extraterrestrische Gewächshausmodule ..................................................... 22 3.6 Experimentelle Forschungseinrichtungen ................................................................................ 23 3.7 CEA Technologien ................................................................................................................... 25 3.7.1 Erdelose Kulturverfahren ................................................................................................. 27 3.7.2 Künstliche Belichtung ...................................................................................................... 30 3.7.3 Steuerung der Umweltparameter ...................................................................................... 31 3.8 Der Kulturapfel ......................................................................................................................... 32 3.8.1 Allgemeine Informationen ................................................................................................ 32 3.8.2 Anforderung an Umweltfaktoren...................................................................................... 32 3.8.3 Säulenäpfel ....................................................................................................................... 33 3.8.4 Literaturhinweise über die erdelose Anzucht von Apfelbäumen ..................................... 34 3.9 Zusammenfassung .................................................................................................................... 37 8 4 Material und Methoden .................................................................................................................... 38 4.1 Material .................................................................................................................................... 38 4.1.1 Die Ausstattung des EDEN Labors .................................................................................. 38 4.1.2 Wachstumskammer und Grundgerüst .............................................................................. 39 4.1.3 Künstliche Belichtung ...................................................................................................... 40 4.1.4 Aeroponisches System...................................................................................................... 41 4.1.5 Regelung der Atmosphäre ................................................................................................ 44 4.1.6 Pflanzenmaterial ............................................................................................................... 45 4.2 Methoden .................................................................................................................................. 47 4.2.1 Kurzbeschreibung der Experimente ................................................................................. 47 4.2.2 Versuchsaufbau ................................................................................................................ 48 4.2.3 Kampagne Nr. 1................................................................................................................ 49 4.2.4 Kampagne Nr. 2................................................................................................................ 52 4.2.5 Kampagne Nr. 3................................................................................................................ 55 4.2.6 Maßnahmen während der Versuche ................................................................................. 58 4.3 Zusammenfassung .................................................................................................................... 60 5 Ergebnisse ........................................................................................................................................ 61 5.1 Luftfeuchtemessungen .............................................................................................................. 61 5.2 Temperatur- und Kohlenstoffdioxidmessungen ....................................................................... 63 5.3 pH und EC Messungen ............................................................................................................. 66 5.4 Beobachtungen aus dem Wurzelraum ...................................................................................... 67 5.5 Beobachtungen aus dem Blattwerk .......................................................................................... 69 6 Diskussion ........................................................................................................................................ 71 6.1 Fehleranalyse ............................................................................................................................ 72 6.1.1 Aeroponik ......................................................................................................................... 72 6.1.2 Künstliche Belichtung ...................................................................................................... 73 6.1.3 Steuerung klimatischer Faktoren ...................................................................................... 73 6.1.4 Nährlösung ....................................................................................................................... 74 6.1.5 Pflanzenschutzmanagement ............................................................................................. 74 6.2 Modifizierte Überführungsmethode ......................................................................................... 75 6.3 Vorschläge für weitere Forschungsaktivitäten - Ein Ausblick ................................................. 77 7 Schlussfolgerung .............................................................................................................................. 79 8 Literaturverzeichnis .......................................................................................................................... 80 9 Bildquellenverzeichnis ..................................................................................................................... 84 IV Anhang ................................................................................................................................................ 86 9 I Abbildungsverzeichnis Abb. 1 – Zwergapfelbaum oder “Zwerg mit Apfelbaum” [1] .................................................................... 4 Abb. 2 - Arten von Lebenserhaltungssystemen [2] .................................................................................. 17 Abb. 3 - Grundschema eines Bioregenerativen Lebenserhaltungssystems [3] ......................................... 18 Abb. 4 - Funktionsschema eines LES [4] ................................................................................................. 19 Abb. 5 - Beziehungen eines Gewächshausmoduls zu anderen Subsystemen im LES [5] ........................ 20 Abb. 6 - Herkömmliche Nahrungsmittel für Astronauten früher und heute[6] ........................................ 20 Abb. 7 - Aufbau des VEGGIE Moduls [7] ............................................................................................... 23 Abb. 8 - Biomass Production Chamber [l.]; Biosphere 2 [r.]; [8] ............................................................ 24 Abb. 9 - Aussehen verschiedener Forschungseinrichtungen für BLSS [9] .............................................. 24 Abb. 10 - Folientunnel mit einfacher CEA Ausstattung; r. NASA CELLS Plant growth chamber [10] . 25 Abb. 11 - Übersicht gärtnerischer Kulturverfahren [11] .......................................................................... 27 Abb. 12 - Schematische Darstellungen erdeloser Kulturverfahren [12]................................................... 28 Abb. 13 - Patentierte aeroponische Anbaueinrichtung (r.) [13] ............................................................... 29 Abb. 14 - Absorptionsspektrum für die pflanzliche Photosynthese [14].................................................. 30 Abb. 15 - Funktionsschema von LEDs [15] ............................................................................................. 30 Abb. 16 – Halterungssystem für Apfelbaumtriebe [16] ........................................................................... 35 Abb. 17 - Die Anbaukammer innerhalb des BIO-Reinraumes ................................................................. 39 Abb. 18 - ITEM Grundgerüst ................................................................................................................... 40 Abb. 19 - LED Panel (Bloom Power®);LED Leuchtmittel (Phillips - Green Production Module®) [17] .................................................................................................................................................................. 40 Abb. 20 – Versorgungssystem innerhalb der Anbaukammer ................................................................... 42 Abb. 21 - Anbauboxen mit aeroponischem Sprühsystem ........................................................................ 43 Abb. 22 – Luft-Management-System (AMS) ........................................................................................... 44 Abb. 23 - Säulenapfelbäume vor der Überführung in das aeroponische System ..................................... 45 Abb. 24 - Schematischer Aufbau der EVA Unit mit Aeroponik und Beleuchtung .................................. 48 Abb. 25 – Bilderserie zum Versuchsaufbau des Experiment Nr. 1 .......................................................... 51 Abb. 26 – Bilderserie zum Versuchsaufbau des Experiments Nr. 2 ........................................................ 54 Abb. 27 – Bilderserie zum Versuchsaufbau des Experiments Nr. 3 ........................................................ 57 Abb. 28 - 12 Stunden Chart der Relativen Luftfeuchte mit geradem Verlauf .......................................... 61 Abb. 29 - 12 Stunden Chart der Relativen Luftfeuchte mit stark welligem Verlauf ................................ 62 Abb. 30 - 12 Stunden Chart der Luftfeuchte mit Verlaufsänderung durch Luftbefeuchter ...................... 62 Abb. 31 - 12 Stunden Chart der Luftfeuchte mit optimalem Verlauf ....................................................... 63 Abb. 32 - 12 Stunden Chart der Temperatur mit welligem Verlauf ......................................................... 63 Abb. 33 - 12 Stunden Chart mit optimalem Verlauf ................................................................................ 64 Abb. 34 - CO -Konzentration im Tagesverlauf vom 23.07.2014 im gesamten Bio-Reinraum ................ 64 2 10