Melissa - Micro-Ecological Life Support System Alternative

Im Rahmen des Melissa-Projekts untersucht die Esa seit 1989 zusammen mit Forschungseinrichtungen aus Europa und Kanada die Möglichkeiten, einen in sich geschlossenenen Lebensraum zu schaffen. (Entsprechende Forschungen werden auch in den USA und in Russland durchgeführt.) In diesem kleinen Ökosystem sollen sich Astronauten, Pflanzen und Mikroorganismen gegenseitig mit den Stoffen versorgen, die sie zum Leben benötigen. Für den Menschen sind dies vor allem Sauerstoff, Wasser und Nahrungsmittel.

Was die Mikroorganismen und Pflanzen zur Produktion dieser Stoffe benötigen, liefert der Mensch hauptsächlich in Form von biologisch abbaubaren Abfällen, Kohlendioxid (Atmung) und anderer körperlichen Ausscheidungen.

Das Habitat der Astronauten, in dem sie bei zukünftigen Missionen auf dem Mond, dem Mars oder in einer Raumstation leben und arbeiten werden, soll dann zum Melissa-Ökosystems erweitert werden. Es wird dann aus fünf Einheiten bestehen, die einen weitgehend geschlossenen Stoffkreislauf bilden:

Stoffkreislauf im Melissa-System Stoffkreislauf im Melissa-Ökosystem (vereinfacht). Oben ist eine künstlerische Vision des Nasa Glenn Research Centers eingefügt. Sie zeigt das Gewächshaus einer zukünftigen Mars-Station. Denn auch in anderen Raumfahrt-Agenturen erforscht man künstliche Ökosysteme.

1. Habitat der Astronauten

• Wohn- und Arbeitsbehausungen
• Menschen verbrauchen Sauerstoff, Wasser, Nahrung
• produzieren Abfälle, Kohlendioxid, Kot und Urin

2. Verflüssigung

• Sammelstelle für biologisch abbaubare Abfälle wie Kot, Urin, Essensreste, Grünschnitt
• Gärung, Abbau von Proteinen, Zucker und Zellulose: anaerobe Bakterien (Energiestoffwechsel ohne molekularen Sauerstoff, O2) wandeln den Abfall um in Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2), Ammonium (NH4+), flüchtige Fettsäuren und Mineralstoffe.
• Schwer abbaubare Substanzen wie Zellulose werden physikalisch, chemisch oder durch Pilze gesondert behandelt..
• Zur Verbesserung des Abbauprozesses werden physikalische und chemische Methoden untersucht sowie der Einsatz von Pilzen.
• Auch der produzierte Wasserstoff soll verwertet werden.

3. weiterer Abbau der Abfallprodukte

• Photoheterotrophe Bakterien (auf organische Kohlenstoffverbindungen aus der Umgebung angewiesen) zersetzen mithilfe von Licht durch ihren Energiestoffwechsel die organischen Abbauprodukte der vorhergehenden Abbaustufe weiter.
• Abgabe von CO2, Ammonium und Mineralstoffe

4. Nitrifikation

• Nitrobakterien (Energiestoffwechsel durch Oxidation von Stickstoffverbindungen) oxidieren NH4+ zu NO2- (Nitrosomas) und NO2- zu NO3- (Nitrobacter).
• NO3- (Nitrat) dient als Nährstoff für höhere Pflanzen und Blaualgen (Cyanobakterien).

5. Pflanzenanbau

• Anbau von Feldfrüchten wie Weizen, Tomaten, Kartoffeln, Sojabohnen, Reis, Spinat, Zwiebeln und Salat
• Ansiedelung von Blaualgen / Cyanobakterien (Spirulina) als Nahrungsquelle
• Abbau von Kohlendioxid (CO2), Produktion von Atemsauerstoff (O2), Wasserrückgewinnung

Spirulina (Arthrospira platensis, Spirulina platensis) gehört zu den Cyanobakterien, die frher als Blaualgen bezeichnet wurden, und enthält Chlorophyll (Blattgrün). Spirulina wandelt daher Kohlendioxid und Wasser mithilfe von Lichtenergie um in Kohlenhydrate (Photosynthese). Ihre Zellen sind in bis zu 0,5 Milimeter langen Fäden wendelförmig aufgereiht. Spirulina ist reich an Proteinen, Vitaminen sowie Mineralstoffen und wird in ihrer Heimat seit langem als Nahrungsmittel verwendet. Als wertvolles, leicht anbaubares Nahrungsmittel und Sauerstoffproduzent ist sie auch für die Raumfahrt interessant. Industriell wird sie in warmem Wasser vermehrt, zum Ernten durch einen Filter gepumt und dann getrocknet.

Die nächsten Schritte

Im Melissa-Projekt wird untersucht, wie die einzelnen Einheiten des Melissa-Ökosystems möglichst wirksam funktionieren und zusammenarbeiten. Zusätzlich müssen Systeme beispielsweise zur Messung der Nähstoffkonzentrationen entwickelt und verbessert werden. Weitere Fragestellungen zielen auf die speziellen Einsatzbedingungen in der Schwerelosigkeit, dem Mond oder Mars. Wie lässt sich beispielsweise der Anbau von Getreide und anderen Feldfrüchten unter verringertem Luftdruck in einem Marsgewächshaus optimieren?

Die Melissa-Pilot-Anlage wird in Spanien auf dem Gelände der Universitat Autònoma de Barcelona betrieben. Sobald die Anlage im Kleinen voll funktionsfähig ist und Ratten einen Lebensraum bieten kann, sollen in größeren Kammern Menschen probeleben. Davon werden nicht nur Astronauten profitieren, denn die Forschungsergebnisse lassen sich auch irdisch für die Ökologie, Abfall-, Luft- und Wasseraufbereitung verwerten. Melissa-Techniken der Abwasserbehandlung werden zum Beispiel seit Ende 2004 in der antarktischen Forschungsstation Concordia eingesetzt.