Die Raumfahrt ist ein komplexes Unterfangen. Alles Leben auf der Erde hat sich unter den besonderen Bedingungen unseres Planeten entwickelt. Leben über unseren „blassen blauen Punkt“ hinauszuführen, ist daher mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Eine der unmittelbarsten Fragen für Raumfahrende ist die Ernährung.
Obwohl die Kosten für den Transport eines Kilogramms Fracht in eine niedrige Erdumlaufbahn in den vergangenen zehn Jahren drastisch gesunken sind¹, ist es nach wie vor nicht realistisch, herkömmliche Landwirtschaftssysteme und Nutztiere ins All zu bringen. Auch verpackte Lebensmittel sind langfristig keine ausreichende Lösung. Frische Lebensmittel haben in der Regel einen höheren Nährwert als verarbeitete Produkte. Zudem wird angenommen, dass Lebensmittel für eine Nachschubmission zum Mars mindestens drei Jahre haltbar sein müssten². Der Anbau frischer Lebensmittel an Bord umgeht diese Begrenzung und unterstützt zugleich ein nachhaltiges Kreislaufsystem, das vor Ort verfügbare Ressourcen nutzt und die Abhängigkeit von Nachschubmissionen von der Erde verringert³.
Der Wettlauf um Technologien für den Nahrungsmittelanbau im Weltraum eröffnet erhebliche Chancen für Innovation und wirtschaftliche Verwertung. Staatliche Raumfahrtorganisationen, private Raumfahrtunternehmen, Agrartechnologieunternehmen, Einrichtungen aus der Materialwissenschaft und universitäre Ausgründungen investieren in Technologien, die Langzeitmissionen und künftige Siedlungen jenseits der Erde ermöglichen könnten.
Unternehmen und Forschungseinrichtungen wenden erhebliche Ressourcen auf, um diese komplexen technischen Herausforderungen zu lösen. Patentschutz kann entscheidend sein, um Forschungsergebnisse zu sichern und Investitionen zu gewinnen. Viele Innovationen für die Nahrungsmittelproduktion im Weltraum besitzen zudem erhebliches Potenzial für Anwendungen in der Landwirtschaft auf der Erde, im kontrollierten Pflanzenbau und in ressourceneffizienten Ernährungssystemen. Dieser Artikel beleuchtet mehrere Bereiche, die besonders interessante Möglichkeiten für Patentschutz und Technologietransfer bieten können.
Auswahl und Optimierung von Kulturpflanzen
Die Auswahl geeigneter Kulturpflanzen ist eine Wissenschaft für sich. Die NASA bewertet mögliche Pflanzenarten anhand von vier Kriterien: Gesamtertrag, Ernteindex, Wachstumseffizienz und Pflegeaufwand². Eine geeignete Kulturpflanze für den Weltraum liefert möglichst viele Kalorien bei geringem Wasser-, Licht- und Arbeitsbedarf. Salat, Weizen, Kartoffeln, Sojabohnen, Mikroalgen wie Chlorella und Radieschen verdeutlichen die Bandbreite möglicher Optionen, von schnell wachsenden Pflanzen bis hin zu proteinreichen, aber langsamer wachsenden Arten³.
Algen-Photobioreaktoren und mikrobielle Proteinsysteme, etwa auf Basis hydrogenotropher Bakterien, zählen gemessen am Lichtbedarf pro Kalorie zu den effizientesten Ansätzen und ermöglichen zugleich ein schnelles Wachstum. Forschungsergebnisse weisen jedoch auch auf physiologische Vorteile des Verzehrs vertrauter frischer Pflanzen wie Salat hin. Verfahren zur Optimierung des Wachstums herkömmlicher Nahrungsmittelpflanzen werden deshalb weiterhin von großer Bedeutung sein.
Mögliche Entwicklungen umfassen die Züchtung widerstandsfähigerer Pflanzensorten sowie Vorrichtungen, mit denen sich die Versorgung der Pflanzen mit Wasser und Licht optimieren lässt.
Neben der Pflanze selbst bildet auch das Saatgut ein eigenständiges Innovationsfeld. Vor der Aussaat kann es mit chemischen oder biologischen Formulierungen behandelt oder beschichtet werden, die Keimung und Wachstum verbessern. Dazu gehören osmotische Vorbehandlungen und Hydropriming, Antioxidantien oder Pflanzenwachstumsregulatoren sowie Biopriming mit nützlichen Mikroorganismen⁷.
Außerhalb der Erde gewinnen diese Verfahren zusätzlich an Bedeutung. Trockene Samen bilden die widerstandsfähigste Phase im Lebenszyklus einer Pflanze. Fortschrittliche Beschichtungen müssen Samen und junge Keimlinge zusätzlich schützen, damit sie deutlich höheren Dosen ionisierender Strahlung standhalten können als auf der Erde⁵.
Solche Beschichtungen könnten strahlenschützende Verbindungen, Cofaktoren für die DNA-Reparatur oder Radikalfänger enthalten, ohne für die Pflanze toxisch zu wirken. Idealerweise reicht die Schutzwirkung bis in die frühe Keimphase und die Entwicklung des Keimlings, in der Pflanzen besonders empfindlich auf erhöhte Strahlung und veränderte Schwerkraft reagieren.
Da der Saatgutvorrat bei einer mehrjährigen Mission eine begrenzte, feste Frachtmasse darstellt, können Beschichtungen, die eine gleichmäßige Keimung und eine höhere Erfolgsquote ermöglichen, das erforderliche Gewicht unmittelbar verringern. Derselbe Ansatz gilt für Technologien, die mehrere aufeinanderfolgende Pflanzengenerationen sichern⁵.
Innovationen, die Erträge steigern und zugleich den Ressourcenverbrauch senken, können weit über den Raumfahrtsektor hinaus Anwendung finden. Landwirtschaft in kontrollierten Umgebungen, vertikale Landwirtschaft und Initiativen zur Ernährungssicherheit stehen vor vergleichbaren Herausforderungen. Für Weltraummissionen entwickelte Technologien könnten daher in verschiedenen Märkten wirtschaftlichen Wert schaffen und die Argumente für Investitionen und Patentschutz stärken.
Hocheffiziente LED-Beleuchtungssysteme
Pflanzen benötigen Licht zum Wachsen. Außerhalb der Erde lassen sich geeignete Lichtverhältnisse zur Optimierung des Pflanzenwachstums ohne zusätzliche LED-Beleuchtung nur schwer herstellen.
Die Beleuchtung zählt zugleich zu den größten Energieverbrauchern einer Weltraumfarm. An Bord eines Raumfahrzeugs müssen Strombedarf und Abwärme berücksichtigt werden. Hocheffiziente Systeme gelten deshalb als wesentliche Voraussetzung für Nahrungsmittelsysteme für Marsmissionen³. Forschende untersuchen Kombinationen aus rotem und blauem Licht bei verringerter Schwerkraft, um optimale Wellenlängen zu bestimmen⁴.
Auch lichtemittierende chemische Verbindungen müssen für die Raumfahrt angepasst werden. OLED-Verbindungen können gleichmäßige und präzise einstellbare Wellenlängen erzeugen und damit natürliches Sonnenlicht nachbilden.
OLEDs beruhen auf der Anregung von Elektronen in organischen Verbindungen. Die zugrunde liegenden Strukturen können jedoch durch ionisierende Strahlung beschädigt und abgebaut werden. Außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde steigt die Belastung durch hochenergetische Sonnenstrahlung.
Bestehende OLED-Verbindungen müssen daher so weiterentwickelt werden, dass ihre Lebensdauer und Strahlungsbeständigkeit steigen, ohne das erforderliche Emissionsspektrum zu beeinträchtigen. Je nach OLED-Technologie können unterschiedliche Lösungen erforderlich sein.
Auch adaptive Steuerungen zur Einstellung des Lichtspektrums und neuartige, effizientere LED-Architekturen bilden ein eigenständiges technisches Innovationsfeld.
Technologien, die bei gleicher Leistungsaufnahme mehr nutzbares Licht erzeugen oder das erforderliche Spektrum präziser einstellen, adressieren ein Problem, das zahlreiche weitere Systeme an Bord eines Raumfahrzeugs beeinflusst.
An die Mikrogravitation angepasstes Wurzelwachstum
Wurzelsysteme verhalten sich außerhalb der Erde grundlegend anders. Im Weltraum fehlt Wurzeln eine eindeutige Orientierung, welche Richtung „oben“ ist. Mikrogravitation sowie abweichende Schwerkraft auf anderen Himmelskörpern verändern die Bedingungen im Wurzelraum, beeinflussen die Hydrodynamik des Boden-Wurzel-Systems und den Kapillarfluss und können sauerstoffarme Wurzelbereiche sowie eine veränderte Nährstoffaufnahme verursachen³.
Experimentelle Weltraumpflanzen werden in speziellen Materialien wie Gelen, Matten und Granulaten kultiviert. Diese können die Wurzeln führen und Wasser und Luft so transportieren, dass Bedingungen nachgebildet werden, die auf der Erde natürlicherweise vorhanden sind.
Häufig werden die Materialien mit Langzeitdüngerpellets kombiniert, um Probleme bei der Nährstoffaufnahme auszugleichen⁵. Neue Kultursubstrate und Spezialdünger werden für künftige Weltraummissionen von entscheidender Bedeutung sein.
Böden
Langfristig werden Raumfahrtorganisationen Nahrungsmittel voraussichtlich direkt in aufbereitetem Mars- oder Mondregolith anbauen wollen, um Frachtmasse zu verringern und vor Ort verfügbare Ressourcen zu nutzen⁵. Diese Substrate weisen Eigenschaften auf, die den Pflanzenanbau erschweren, darunter geringe Partikelgröße, fehlende Struktur, geringe Wasserspeicherfähigkeit und unzureichende Belüftung der Wurzeln⁸.
Darüber hinaus enthalten diese Substrate keine komplexen mikrobiellen Gemeinschaften. Da organisches Material außerhalb der Erde nicht in großen Mengen verfügbar sein dürfte, müssen Behandlungen und Zusatzstoffe die Wachstumsbedingungen in außerirdischen Substraten verbessern und sich mit begrenzten Ressourcen einfach einsetzen lassen⁶. Dieses technische Gebiet bietet erhebliches Potenzial für Innovation und Patentschutz.
Sowohl unter Mikrogravitation als auch beim Anbau in außerirdischen Substraten können technische Entwicklungen erforderlich sein, um Kultursysteme zu schaffen, die Wasser, Luftzufuhr und Entwässerung zuverlässig steuern.
Schlussfolgerungen
Der Anbau von Nahrungsmitteln im Weltraum eröffnet vielfältige Möglichkeiten für Innovation, Zusammenarbeit und wirtschaftliche Entwicklung. Die entsprechenden Fortschritte sind notwendig, um die Abhängigkeit von Nachschubmissionen zu verringern und eine eigenständigere Weltraumforschung zu ermöglichen. Ihre Wirkung dürfte jedoch weit über den Luft- und Raumfahrtsektor hinausreichen.
Viele der heute entwickelten Technologien, von fortschrittlichen Beleuchtungssystemen und Saatgutbehandlungen bis zu alternativen Kultursubstraten und ressourceneffizienten Anbaumethoden, können auch zur Lösung drängender landwirtschaftlicher Herausforderungen auf der Erde beitragen.
Mit einer frühzeitig entwickelten Strategie zum Schutz geistigen Eigentums können innovative Unternehmen ihre Produkte schützen, Wettbewerbsvorteile sichern, Investitionen gewinnen, Partnerschaften fördern und Voraussetzungen für eine künftige Lizenzierung und wirtschaftliche Verwertung schaffen.
Literaturverzeichnis
- Terzi et al., From Sputnik to Starship: Estimating the experience curve of space launch technology, PNAS Nexus, Volume 5, Issue 7, July 2026.
- Perchonok MH, Cooper MR, Catauro PM. Mission to Mars: food production and processing for the final frontier. Annu Rev Food Sci Technol. 2012;3(1):311–330.
- Asif Raihan, Toward sustainable living in space: A review of environmental control and life support system technologies, Space Habitation, Volume 2, Issue 1, 2026.
- Valbuena MA, Manzano A, Vandenbrink JP, et al. The combined effects of real or simulated microgravity and red-light photoactivation on plant root meristematic cells. Planta. 2018;248(3):691–704.
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- K.K. Sharma et al., Seed treatments for sustainable agriculture – A review, Journal of Applied and Natural Science 7 (1): 521–539 (2015).
- Jinghang Ding et al., How to make lunar soil suitable for cultivation? – A review, Science of The Total Environment, Volume 948, 2024.
Dieser Artikel wurde von Louis Campell Louis Campbell von HGF verfasst.
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