-
Die Erfindung betrifft eine Anbauvorrichtung für photosynthetisch aktive Organismen im Weltall und anderen lebensfeindlichen Umgebungen.
-
Wenn Menschen im Weltraum zu weiter entfernten Zielen unterwegs sind, benötigen sie stabile Lebenserhaltungssysteme zur Versorgung mit Nahrung und Sauerstoff, zum Abfall- und CO2-Recycling und für die Energieversorgung. Bei Langzeitmissionen spielen Ernährungsfragen in weit höherem Maße eine Rolle als bei kürzeren Missionsdauern. Erfahrungen in diesem Bereich hat die NASA schon mit dem ISS-Programm sammeln können. Die Astronauten, welche die internationale Raumstation ISS bemannen, benötigen momentan etwa 30 kg Wasser, Essen und Luft pro Tag, so dass die Versorgung der Astronauten mit Nahrung und Luft mit hohem Aufwand verbunden ist.
-
Die Nahrung für die Astronauten muss verschiedene Anforderungen erfüllen. Sie muss platzsparend, lange haltbar, nährstoffreich und einfach zuzubereiten sein. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Nahrungsversorgung für einen längeren Zeitraum zu gewährleisten. Hierunter fällt das Gefriertrocknen. Dabei werden Nahrungsmittel zuerst tiefgefroren und dann unter Vakuum erhitzt, wodurch das Wasser aus der Nahrung entfernt wird. Durch einfaches Hinzugeben von kaltem oder warmem Wasser wird die Nahrung verzehrbereit. Darüber hinaus können Lebensmittel durch Erhitzen haltbar gemacht werden. Ferner kann Tiefkühlnahrung verwendet werden, um verderbliche Lebensmittel wie Gemüse oder Obst ohne größere Geschmackseinbußen zu lagern. Sämtliche in dieser Form haltbar gemachte Nahrung wird auf der Erde produziert und muss somit von der Erde in den Weltraum befördert werden. Bei Langzeitmissionen kann dies zu Transportproblemen führen, da die Nahrungsmenge erheblicher ist. Derzeit dauern beispielsweise die Aufenthalte an Bord der ISS etwa sechs Monate. Geplante Missionen beispielsweise zum Mars werden um ein vielfaches längere Aufenthalte von Astronauten im Weltraum erfordern.
-
Um diesem Problem zu begegnen wird dazu übergegangen, Nahrung im Weltraum anzubauen. Hierdurch kann einerseits die Nahrungsmittelversorgung der Astronauten zumindest teilweise abgedeckt werden. Weiterhin wandeln die angebauten Pflanzen im Rahmen der Photosynthese nach der Formel
6H2O + 6CO2 + Licht = 6O2 + C6H12O6
-
CO2 in Sauerstoff und Glukose um, so dass durch den Anbau von Pflanzen auch zu der Versorgung der Astronauten mit Luft/Sauerstoff beitragen kann.
-
Zum Betreiben von Photosynthese müssen Pflanzen Licht absorbieren. Hierbei ist zu beachten, dass der weiter von der Sonne entfernte Mars nur knapp die Hälfte der irdischen Sonneneinstrahlung empfängt. Zudem gibt es auf dem Mars schwere Staubstürme, durch die ein Großteil des Sonnenlichts von der Oberfläche des Mars abgehalten wird. Daher ist der Einsatz von Sonnenlicht nutzenden Stromerzeugungseinrichtungen wie Photovoltaikanlagen, oder Sonnenlicht nutzenden Bestrahlungseinrichtungen wie nachjustierbaren Spiegelkonstruktionen zum Lenken des Sonnenlichts problematisch. Aus diesem Grund werden künstliche Lichtquellen verwendet.
-
Herkömmliche Bestrahlungseinrichtungen wie beispielsweise LEDs benötigen Elektrizität zur Lichterzeugung, sodass durch den Einsatz von elektrisch betriebenen Lichtquellen ein zusätzlicher Bedarf an Elektrizität entsteht. Insbesondere bei Langzeitmissionen ist der Bedarf an Elektrizität der elektrisch betriebenen Lichtquellen hoch. Hierbei entstehen durch das hohe Gewicht, das für die Bereitstellung der benötigten Elektrizität erforderlich ist, hohe Kosten.
-
In „Integration of an algal photobioreactor into an environmental control and life support system of a space station“, Acta Astronautica 65 (2009) 248-261 wird eine Anbauvorrichtung für Algen für ein Raumfahrzeug mit der Aufgabe, gleichzeitig Nahrungsmittel und Sauerstoff unter Verbrauch von Kohlendioxid bereitzustellen, offenbart. Konkret ist die Anbauvorrichtung plattenförmig ausgebildet und verfügt über eine belüftete Algenkammer. Grundsätzlich ist für die Beleuchtung Sonnenlicht vorgesehen, bei Fehlen von Sonnenlicht kann auf künstliche Lichtquellen zurückgegriffen werden, was aber aufgrund des damit verbundenen Energieverbrauchs als nachteilig angesehen wird. Deshalb wird vorgeschlagen, auf künstliche Lichtquellen zu verzichten und stattdessen die Anbauvorrichtung bei Abwesenheit von Sonnenlicht in einen sogenannten Standby-Modus zu versetzen.
-
Die
DE 35 13 211 A1 offenbart einen sogenannten Mikrokosmos, in dem Pflanzen oder Algen bei Bestrahlung mit Licht mittels der Photosynthese freien Sauerstoff und organisches Material produzieren, während sie Kohlendyoxid und anorganische Chemikalien verbrauchen. Als Lichtquelle ist grundsätzlich die Nutzung von Sonnenlicht vorgesehen, allerdings können auch künstliche Lichtquellen, wie beispielsweise bestimme Leuchtstofflichtquellen eingesetzt werden.
-
In „Photobioreactors: Design and Performance with Respect to Light Energy Input“ - Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, Vol. 59, 123-152 werden Anbauvorrichtungen in verschiedenen Ausführungsformen vorgeschlagen. Dazu können verschiedene Lichtquellen eingesetzt werden. Grundsätzlich wird dabei differenziert zwischen einer natürlichen und einer künstlichen Beleuchtung. Im Hinblick auf die künstliche Beleuchtung, deren Verwendung sich vorwiegend auf den Labormaßstab beschränkt, werden vor allem fluoreszierende Lichtquellen genannt, insbesondere Quecksilberdampflampen, die ein für das Pflanzenwachstum günstiges Spektrum emittieren.
-
Ausgehend von dem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anbauvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der auch bei Langzeitmissionen kostengünstig und unabhängig von der Sonneneinstrahlung photosynthetisch aktive Organismen angebaut werden können.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Anbauvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass diese zumindest ein Aufnahmebehältnis zur Aufnahme der photosynthetisch aktiven Organismen und eines Nährstoffsubstrats sowie eine Bestrahlungseinrichtung mit wenigstens einer radiolumineszenten Lichtquelle zum Bestrahlen der photosynthetisch aktiven Organismen in dem Aufnahmebehältnis aufweist.
-
Erfindungsgemäß wird als Bestrahlungseinrichtung eine radiolumineszente Lichtquelle zum Bestrahlen der photosynthetisch aktiven Organismen eingesetzt. Das radioaktive Material in der radiolumineszenten Lichtquelle sendet aufgrund des Betazerfalles Betastrahlung aus, und unter Einwirkung dieser Betastrahlung emittiert ein Leuchtstoff der radiolumineszenten Lichtquelle Licht, das für die Photosynthese benötigt wird. Hierbei wird bevorzugt radioaktives Material mit einer Halbwertszeit von über einem Jahrzehnt verwendet, so dass es möglich ist mit einer solchen Lichtquelle ohne äußere Energiezufuhr Licht über mehr als ein Jahrzehnt zum Betreiben von Photosynthese bereitzustellen. Dies hat zur Folge, dass die erfindungsgemäße Anbauvorrichtung als ein geschlossenes System aufgebaut werden kann, das ohne äußere Energiezufuhr den Anbau von photosynthetisch aktiven Organismen ermöglicht.
-
Vorzugsweise ist das Aufnahmebehältnis geschlossen ausgebildet und weist zumindest eine Zugriffsöffnung auf, die insbesondere verschließbar ist. Auf diese Weise können die anzubauenden Organismen von der Umgebung abgekoppelt werden, sodass ein Schädlingsbefall vermieden wird. Durch die Zugriffsöffnung wird das Säen bzw. Anpflanzen, Bewässern und Ernten der Organismen ermöglicht.
-
Hierbei kann das Aufnahmebehältnis in Form einer Küvette oder zylinderförmig ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine kompakte Ausbildung des Aufnahmebehältnis.
-
Dabei kann das Aufnahmebehältnis Zu- und Abluftanschlüsse aufweisen, durch welche den photosynthetisch aktiven Organismen CO2 zugeführt sowie der bei der Photosynthese entstehende Sauerstoff abgeführt werden kann.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Bestrahlungseinrichtung an der Außenseite des Aufnahmebehältnis angeordnet und das Aufnahmebehältnis zumindest teilweise lichtdurchlässig ausgebildet. Auf diese Weise ist die Bestrahlungseinrichtung von außen leicht zugänglich für Wartungsarbeiten.
-
Bevorzugt weist die Bestrahlungseinrichtung eine radiolumineszente Lichtquelle in Form einer Tritiumgaslichtquelle auf. Aufgrund der Halbwertszeit von Tritium von ca. 12,3 Jahren ist es möglich mit einer Tritiumgaslichtquelle ohne äußere Energiezufuhr Licht über mehr als ein Jahrzehnt zum Betreiben von Photosynthese bereitzustellen. Darüber hinaus ist Tritium besonders geeignet, da sowohl Tritium selbst als auch sein Zerfallsprodukt ungiftig sind.
-
Die Bestrahlungseinrichtung weist bevorzugt eine Mehrzahl von radiolumineszenten Lichtquellen, bevorzugterweise 4 bis 8, und insbesondere 6 radiolumineszenten Lichtquellen, auf. Diese können entlang der Umfangsrichtung des Aufnahmebehältnis insbesondere gleichmäßig verteilt positioniert sein. Dies ermöglicht eine raumsparende Anordnung der radiolumineszenten Lichtquellen und somit eine kompakte Ausbildung der Anbauvorrichtung.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Anbauvorrichtung ein Gehäuse mit einer insbesondere verschließbaren Einsetzöffnung auf, in der das Aufnahmebehältnis und die Bestrahlungseinrichtung angeordnet sind. Hierdurch wird die Anbauvorrichtung von äußeren Einflüssen abgekoppelt.
-
Dabei kann das Gehäuse Zu- und Abluftanschlüsse aufweisen, durch welche die Versorgung der photosynthetisch aktiven Organismen mit CO2 sowie das Abführen des bei der Photosynthese entstehenden Sauerstoffs gegebenenfalls mit einem Stickstoffanteil ermöglicht werden kann.
-
Vorzugsweise besitzt das Gehäuse eine zu dem Behältnis korrespondierende, insbesondere zylindrische, Form. Hierdurch wird eine kompakte Ausbildung der Anbauvorrichtung ermöglicht.
-
Ferner kann die Innenfläche des Gehäuses verspiegelt ausgebildet sein. Auf diese Weise wird die von der Bestrahlungseinrichtung emittierte Strahlung wieder zu den photosynthetisch aktiven Organismen reflektiert, sodass die Strahlungsverluste reduziert werden und somit der Wirkungsgrad der Anbauvorrichtung verbessert wird.
-
Weiterhin kann an der Außenfläche des Gehäuses eine Abschirmungsschicht vorgesehen sein, um das Innere des Gehäuses von äußeren Einflüssen, insbesondere Radioaktivität und/oder Temperatureinflüssen, abzuschirmen. Hierdurch werden Einflüsse, die das Wachstum der photosynthetisch aktiven Organismen behindern bzw. zu deren absterben führen können, reduziert. Beispielsweise kann die Abschirmungsschicht thermisch isolierend ausgebildet sein. Auf diese Weise werden die photosynthetisch aktiven Organismen vor Hitze und Kälte geschützt.
-
Bevorzugt ist das Aufnahmebehältnis zur Aufnahme von photosynthetisch aktiven Organismen in der Form von Pflanzen, insbesondere von Algen, und/oder von photosynthetischen Bakterien ausgebildet. Hierbei haben sich Algen aufgrund ihres hohen Protein- und Nährstoffgehalts besonders bewährt.
-
Zudem können Mineralstoffe, Wasser und/oder Kohlendioxid, in dem Aufnahmebehältnis angeordnet sein. Auf diese Weise werden den photosynthetisch aktiven Organismen die zum Betreiben von Photosynthese notwendigen Nährstoffe bereitgestellt.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Anbauvorrichtung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlich. Darin zeigt
- 1 eine schematische Ansicht einer Anbauvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht einer Anbauvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Die 1 zeigt eine Anbauvorrichtung 1 für photosynthetisch aktive Organismen wie Algen, Pflanzen und photosynthetisch aktiven Bakterien im Weltall oder anderen lebensfeindlichen Umgebungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Die Anbauvorrichtung 1 umfasst ein Aufnahmebehältnis 2 zur Aufnahme der photosynthetisch aktiven Organismen und eines Nährstoffsubstrats. Das Aufnahmebehältnis 2 ist in Form eines Hohlzylinders aus einem lichtdurchlässigen Material ausgebildet, der an seinen Stirnseiten unter Bildung von Zugriffsöffnungen 3 offen ausgebildet ist. Die Mantelfläche des Aufnahmebehältnis 2 ist lichtdurchlässig.
-
Zudem weist die Anbauvorrichtung 1 eine Bestrahlungseinrichtung 4 mit 8 Tritiumgaslichtquellen 4a zum Bestrahlen von photosynthetisch aktiven Organismen in dem Aufnahmebehältnis 2 auf. Die Tritiumgaslichtquellen 4a sind zylinderförmig ausgebildet und an der Außenseite des Aufnahmebehältnis 2 gehalten. Dabei sind die Tritiumgaslichtquellen 4a entlang der Umfangsrichtung des Aufnahmebehältnisses 2 gleichmäßig verteilt positioniert und erstrecken sich im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Aufnahmebehältnisses 2.
-
Weiterhin weist die Anbauvorrichtung 1 ein Gehäuse 5 auf, das eine zu dem Behältnis 2 korrespondierende, zylindrische Form besitzt. Das Gehäuse 5 ist unter Bildung von stirnseitigen, verschließbaren Einsetzöffnungen 6 offen ausgebildet. Zudem weist das Gehäuse 5 an seiner Mantelfläche Zu- und Abluftanschlüsse 7, 8 auf. Die Innenfläche des Gehäuses 5 ist verspiegelt ausgebildet.
-
An der Außenfläche des Gehäuses 5 ist eine Abschirmungsschicht 9 vorgesehen, die thermisch isolierend ausgebildet ist und eine Bleischicht zum Abschirmen von radioaktiver Strahlung aufweist.
-
Durch die Einsetzöffnung 6 des Gehäuses 5 können die Organismen in dem Aufnahmebehältnis 2 angepflanzt bzw. gesät, bewässert, gedüngt und geerntet werden.
-
Um Photosynthese zu betreiben, benötigen die anzupflanzenden Organismen Licht, Nährstoffe, CO2 und eine geeignete Temperatur. Um das für die Photosynthese notwendige Licht zu produzieren, sind die Tritiumgaslichtquellen 4a vorgesehen. Das in ihr enthaltene Tritium sendet aufgrund des Betazerfalles Betastrahlung aus, und unter Einwirkung dieser Betastrahlung emittiert ein Leuchtstoff der Tritiumgaslichtquelle 4a Licht, das für die Photosynthese der Organismen nutzbar ist. Die Halbwertszeit von Tritium liegt bei ca. 12,3 Jahren, so dass es möglich ist mit einer Tritiumgaslichtquelle 4a ohne äußere Energiezufuhr Licht über mehr als ein Jahrzehnt zum Betreiben von Photosynthese bereitzustellen. Darüber hinaus ist Tritium selbst als auch sein Zerfallsprodukt ungiftig.
-
Das von den Tritiumgaslichtquellen 4a ausgesendete Licht durchtritt teilweise direkt die Außenfläche des Aufnahmebehältnisses 2 und gelangt so zu den photosynthetisch aktiven Organismen. Der Anteil des Lichts der Tritiumgaslichtquelle 4a, der nicht direkt auf die Außenfläche des Aufnahmebehältnisses 2 gerichtet ist, trifft auf die verspiegelte Innenfläche des Gehäuses 5, wird in Richtung der photosynthetisch aktiven Organismen reflektiert und durchtritt dann die Außenfläche des Aufnahmebehältnisses 2. Durch die verspiegelte Innenfläche des Gehäuses 5 werden somit Strahlungsverluste reduziert.
-
Der Zuluftanschluss 7 des Gehäuses 5 ist mit einem CO2 Reservoir verbunden, so dass in dem Gehäuse und damit in dem Aufnahmebehältnis 2 eine CO2 Atmosphäre geschaffen werden kann. Hierzu wird zunächst CO2 zugeführt bis ein Schwellwert an CO2 erreicht ist. Dann können die angepflanzten Organismen entsprechend der nachfolgenden Formel Photosynthese betreiben:
6H2O + 6CO2 + Licht = 6O2 + C6H12O6
-
Wie aus obenstehender Formel ersichtlich ist, entsteht bei der Photosynthese neben Glucose Sauerstoff. Sobald der Sauerstoffanteil in der Atmosphäre einen Schwellwert überschreitet, wird der Abluftanschluss 8 des Gehäuses 5 mit einem Speicher für sauerstoffreiches Gas verbunden.
Die 2 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anbauvorrichtung 1. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass das Aufnahmebehältnis 2 geschlossen ist und an seinen Seiten verschließbare Zugriffsöffnungen 3 sowie an seiner Mantelfläche Zu- und Abluftanschlüsse 7, 8 aufweist, um den Organismen CO2 zuzuführen und den bei der Photosynthese produzierten Sauerstoff abzuführen. Zudem ist das Gehäuse 5 in Form eines Hohlzylinders mit an den Stirnseiten angeordneten Einsetzöffnungen 6 ausgebildet. Auf diese Weise entsteht die CO2-Atmosphäre in dem Aufnahmebehältnis 2, wenn der Zuluftanschluss 7 des Aufnahmebehältnisses 2 für den Photosyntheseprozess der Organismen mit einem CO2 Reservoir verbunden wird. Der bei der Photosynthese entstehende Sauerstoff wird über den Abluftanschluss 8 des Aufnahmebehältnisses 2 mit einem Speicher für sauerstoffreiches Gas verbunden.
