Pflanzen- und Mikrobenwissenschaft und -technologie als Eckpfeiler bioregenerativer Lebenserhaltungssysteme im Weltraum

Jul 29, 2023

npj Microgravity Band 9, Artikelnummer: 69 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Langfristige bemannte Weltraumforschungsmissionen erfordern Umweltkontrolle und geschlossene Lebenserhaltungssysteme (LSS), die in der Lage sind, Ressourcen zu produzieren und zu recyceln und so alle wesentlichen Stoffwechselbedürfnisse für das Überleben des Menschen in rauen Weltraumumgebungen zu erfüllen, sowohl während der Reise als auch auf Orbital-/Planetenstationen. Dies wird umso notwendiger, je weiter die Missionen von der Erde entfernt sind, wodurch die technische und wirtschaftliche Machbarkeit einer Nachlieferung von Ressourcen von der Erde aus eingeschränkt wird. Die weitere Einbindung biologischer Elemente in hochmoderne (meist abiotische) LSS, die zu bioregenerativem LSS (BLSS) führt, ist für zusätzliche Lösungen zur Ressourcenrückgewinnung, Lebensmittelproduktion und Abfallbehandlung sowie zur Ermöglichung autarkerer Missionen erforderlich zum Mond und Mars. Es gibt eine ganze Reihe von Funktionen, die für die Aufrechterhaltung der menschlichen Präsenz im niedrigen Erdorbit (LEO) und für eine erfolgreiche Besiedlung auf Mond oder Mars von entscheidender Bedeutung sind, wie z. B. Umweltkontrolle, Luftregeneration, Abfallmanagement, Wasserversorgung, Nahrungsmittelproduktion, Druckbeaufschlagung von Kabinen/Habitaten und Strahlenschutz , Energieversorgung sowie Transport-, Kommunikations- und Erholungsmittel. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Luft-, Wasser- und Lebensmittelproduktion sowie die Abfallwirtschaft und gehen auf einige Aspekte des Strahlenschutzes und der Erholung ein. Wir diskutieren kurz das vorhandene Wissen, zeigen offene Lücken auf und schlagen kurz-, mittel- und langfristige mögliche Experimente für die Zukunft vor, um die Ziele der bemannten Weltraumforschung zu erreichen und möglicherweise auch Vorteile auf der Erde zu erzielen.

Das Konzept der Bioregenerativen Lebenserhaltungssysteme (BLSS), auch geschlossene (oder kontrollierte) ökologische Lebenserhaltungssysteme (CELSS) genannt, wird seit Beginn der Ära der bemannten Weltraumforschung in den 1960er Jahren erforscht1. Ein geschlossener und halbgeschlossener BLSS-Kreislauf basiert auf dem Konzept ökologischer Netzwerke, in denen mehrere Ebenen trophischer Verbindungen den Biomassekreislauf in Nahrungsnetzen gewährleisten. Somit besteht ein BLSS aus mehreren miteinander verbundenen Kompartimenten, die auf Organismen basieren, deren Abfälle die lebenswichtigen Ressourcen für die anderen Kompartimente darstellen (Abb. 1). Diese Systeme umfassen drei Haupttypen von Kompartimenten: biologische „Produzenten“ (z. B. Pflanzen, Mikroalgen, photosynthetische Bakterien), „Konsumenten“ (z. B. Besatzung) und „Abfallabbauer und -recycler“ (z. B. fermentative und nitrifizierende Bakterien). Im Laufe der Jahre wurden mehrere alternative biologische Elemente vorgeschlagen2. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, dass tierische Kompartimente (z. B. Insekten, Fische) zusätzliche Proteine ​​liefern3. Mehrere groß angelegte bodengestützte Demonstratoren haben BLSS mit geschlossenem Kreislauf mit Menschen im Kreislauf getestet, wie BIOS-1, 2, 3 und 3 M in Russland, Biosphere 2 in den USA, die Closed Ecology Experiment Facility (CEEF) in Japan und Lunar Palace 1 in China. Andere Einrichtungen in der Antarktis haben unabhängige BLSS-Funktionen wie das Grauwasserrecycling auf der Concordia-Station oder die Lebensmittelproduktion in der mobilen Testanlage EDEN ISS (Internationale Raumstation) auf der Neumayer-Station III getestet. Darüber hinaus trug im Rahmen des NASA Lunar-Mars Life Support System Test Project eine Wachstumskammer 91 Tage lang zur Luftrevitalisierung und zum Nahrungsbedarf einer vierköpfigen Besatzung bei4. Andere Einrichtungen haben analoge Missionen zum Testen von Abteilungen oder Teilen davon mit unterschiedlichem Komplexitätsgrad ermöglicht, beispielsweise MARS500 und SIRIUS in Russland, HERA und LMLSTP am JSC der NASA, die Biomass Production Chamber des KSC, MDRS in Utah und HI-SEAS in Hawaii, USA4. 5,6. Diese bodengestützten Demonstratoren wurden verwendet, um spezifische Technologien für kontrollierte Kultivierungskammern, Lebensmittelproduktionssysteme und die biologische Abfallwirtschaft zu testen. Einige dieser Testeinrichtungen wurden auch verwendet, um die Auswirkungen der Gefangenschaft auf isolierte Besatzungen im Hinblick auf physiologische und psychologische Probleme zu bewerten und um die mögliche mildernde Wirkung des Vorhandenseins von Pflanzen (z. B. Zugang zu frischen Lebensmitteln, Gartenarbeit usw.) zu bewerten Erholung)7,8.

Der Schwerpunkt liegt auf der Regeneration von Ressourcen und den miteinander verbundenen Kompartimenten, basierend auf den Abfällen der Organismen aus jedem Kompartiment, die Inputs für die anderen Kompartimente darstellen.

Internationale Raumfahrtagenturen haben erfolgreich regenerative Systeme zur Rückgewinnung und Reinigung von Luft und Wasser für ihre Besatzungen während Missionen im erdnahen Orbit (LEO) entwickelt (z. B. im Space Shuttle, der Sojus, Saljut, der ISS und im chinesischen Weltraum). Stationen). Aus europäischer Sicht verfügt die Europäische Weltraumorganisation (ESA) derzeit nicht über eine eigene integrierte BLSS-Bodentestanlage, die eine menschliche Besatzung aufnehmen könnte, und ist weiterhin auf andere internationale Partner und Gemeinschaftsprojekte angewiesen (z. B. Tests von Wasseraufbereitungssystemen bei Concordia). in der Antarktis). In den letzten drei Jahrzehnten haben beitragende Länder jedoch über die ESA in das Micro-Ecological Life Support System Alternative Program (MELiSSA) investiert, was unter anderem zum Bau einer MELiSSA-Pilotanlage in Spanien (MPP) und einer Anlagencharakterisierungseinheit führte in Italien (PaCMan)9. Ziel beider Einrichtungen ist die Entwicklung und Erprobung eines geschlossenen Kreislaufsystems zur Bereitstellung von Sauerstoff, Trinkwasser und frischen Lebensmitteln durch das Recycling organischer und anorganischer Abfälle. Das MPP ist jedoch ein Bodendemonstrator mehrerer Kompartimente des MELiSSA-Kreislaufs und ihrer Verbindung, während sich PaCMan auf grundlegende biologische Experimente an Pflanzen in einer geschlossenen Kammer konzentriert.

Bisher wurden Bioreaktoren oder Pflanzenkultivierungskomponenten von BLSS bereits in LEO, an Bord von FOTON und auf der Internationalen Raumstation (ISS) als Machbarkeitsnachweis getestet10,11 und zeigten, dass es möglich ist, einen Bioreaktor zu betreiben oder Pflanzen in LEO zu züchten. Allerdings wurden diese Tests typischerweise an einzelnen biologischen Systemen in kleinen Maßstäben (d. h. weniger als 100 ml oder 0,2 m²) mit geringem Gesamtertrag, über kurze Zeiträume und mit erheblicher Besatzungsaktivität durchgeführt. Zukünftige BLSS-Abteile, die den Bereich „Verbraucher/Astronauten“ unterstützen, müssen im Hinblick auf Effizienz, Robustheit, Autonomie, Fernsteuerung und Integration in komplexe Lebensräume vergrößert und optimiert werden. Die vollständige Integration aller Abteilungen in Bodendemonstrationsanlagen ist der erste logische Schritt dieser Bemühungen. Ähnliche Systeme mit der Hinzufügung einiger Druckmodule könnten dann auf dem Mond eingesetzt werden, und schließlich könnte die Mondoberfläche als Testumgebung für künftige Marsmissionen genutzt werden, die notwendig sind, um die Autonomie des Außenpostens zu gewährleisten12. Zusätzlich zu den Herausforderungen, die sich bei der vollständigen Integration aller Kompartimente auf der Erde ergeben, sind die Auswirkungen von Weltraumumweltbedingungen (wie verringerte Schwerkraft, erhöhte ionisierende Strahlung, niedrigerer atmosphärischer Druck, Regolithstaub, unterschiedliche atmosphärische Zusammensetzung und Magnetfelder) auf die biologischen Komponenten und Die BLSS-Prozesse müssen berücksichtigt werden, da sich dies auf ihre Effizienz und das Input-/Output-Gleichgewicht zwischen den miteinander verbundenen Kompartimenten auswirken könnte13,14. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die beiden Hauptgruppen von BLSS-Organismen, nämlich Pflanzen und Mikroben. Wir werden kurz beleuchten, was bekannt ist und welche Wissenslücken bestehen, die für die Gestaltung von BLSS relevant sind. Darüber hinaus ist ein Abschnitt dem Design und der Realisierung von BLSS gewidmet, einschließlich der möglichen Verwendung von Biomaterialien, die direkt im Weltraum hergestellt werden. Anschließend stellen wir mögliche zukünftige Forschungsfragen und kurz-, mittel- und langfristige technologische Herausforderungen vor, die angegangen werden müssen, um die Ziele der Lebenserhaltung bei der bemannten Weltraumforschung zu erreichen.

Pflanzen sind die wichtigsten Nahrungsmittelproduzenten für den Menschen auf der Erde und haben das Potenzial, die gleiche Aufgabe im Weltraum zu erfüllen. Darüber hinaus eignen sie sich gut für die Regeneration von Ressourcen, da sie Kohlendioxid verbrauchen und durch Photosynthese Sauerstoff erzeugen, Wasser aus der Sammlung von transpiriertem Wasser reinigen und eine Rolle bei der Abfallverwertung spielen15. Obwohl die Regeneration von Ressourcen bei kurzfristigen Missionen eine „nice-to-have“-Anforderung wäre, wird sie bei langfristigen Missionen, bei denen eine Nachlieferung von der Erde nicht möglich wäre und bei denen die anfängliche Startmasse alles transportieren würde, zu einem „Must-have“. Verbrauchsmaterialien wären unerschwinglich.

Es könnte in Frage gestellt werden, dass die Regeneration von Luft und Wasser mit anderen photosynthetischen Organismen oder physikalisch-chemischen Prozessen erreicht werden kann. Es ist jedoch eine Tatsache, dass der Anbau höherer Pflanzen bei Nutzpflanzen einen Mehrwert für die Nahrungsmittelproduktion darstellt, denn derzeit ist die Nahrungsproduktion im Weltraum nur über Biotransformation möglich, was mit physikalisch-chemischen Prozessen nicht möglich ist. Aus ernährungsphysiologischer und funktioneller Sicht kann die Integration der Astronautenernährung mit pflanzlichen, nährstoffreichen, frischen Lebensmitteln tatsächlich dazu beitragen, Krankheiten (sowohl physiologischer als auch psychologischer Natur) entgegenzuwirken, die durch die stressige Weltraumumgebung verursacht werden16,17. Derzeit werden im Weltraum nur vorverpackte Lebensmittel verwendet (abgesehen von frischen Bonusnahrungsmitteln im Rahmen ausgewählter Experimente), die mit der Zeit dazu neigen, Nährstoffe und Vitamine zu verlieren. Cooper et al. (2017)18 fanden heraus, dass Vitamin C und B1 in Weltraumnahrung bei Lagerung bei 21 °C innerhalb von drei Jahren auf unzureichende Konzentrationen abgebaut werden, während die Vitamine A, B6 und B12 abnehmen, aber nach drei Jahren noch ausreichende Konzentrationen vorhanden sind. Für eine Marsmission müssen von der Erde verschiffte Lebensmittel möglicherweise mehrere Jahre lang gelagert werden, was wahrscheinlich zu einem geringen Vitamingehalt zum Zeitpunkt des Verzehrs führt. Pflanzen können auch nicht-ernährungsphysiologische Vorteile bieten, wie etwa psychologische Unterstützung bei Isolationsbedingungen, indem sie als emotionale Unterstützer in einer Art „Gartentherapie“ fungieren19.

Da die Notwendigkeit, Pflanzen im Weltraum zu kultivieren, selbstverständlich ist, sollte das BLSS-Design, einschließlich der Auswahl der Arten/Sorten und der Anbausysteme, auf das Missionsszenario und seine Dauer abgestimmt sein. Tatsächlich werden unterschiedliche Missionsszenarien unterschiedlich von den Umweltfaktoren beeinflusst und beeinflussen unterschiedlich die Möglichkeit der Nachlieferung von Ressourcen von der Erde20.

Bei bemannten Missionen von kurzer Dauer, beispielsweise auf erdumlaufenden Plattformen (LEO), sollte die Pflanzenproduktion auf schnell wachsende Arten ausgerichtet sein, die ein Mindestmaß an Volumen einnehmen und hohe Nährwerte liefern, wie z. B. Blattgemüse (z. B. Salat, Grünkohl). , Microgreens oder Sprossen, Zwergsorten von Gartenbaukulturen (z. B. Tomate). Das Konzept einer Gemüseproduktionseinheit, auch als „Salatmaschine“ definiert, um die Ernährung von Astronauten zu integrieren, wurde von Forschern seit Anfang der 90er-2122 vorgeschlagen. Diese Arten werden die Ernährung der Astronauten ergänzen (die in solchen Missionsklassen immer noch von der Versorgung durch die Erde abhängig ist) und da sie reich an Nutrazeutika (wie Antioxidantien und Präbiotika) sind, werden sie dazu beitragen, die physiologischen Abwehrkräfte des Körpers der Astronauten gegen Krankheiten zu stärken verursacht durch die Exposition gegenüber Weltraumfaktoren23. Diese Art von Pflanzenwachstumsanlage würde nicht wesentlich zum Ressourcenrecycling beitragen (insbesondere im Fall von Sprossen, die sich noch in einem zu frühen Entwicklungsstadium befinden, um eine aktive photosynthetische Aktivität zu haben), sondern erfordert nur minimale Inputs, wie z Anbaugebiet, Kurzzeit und grundlegende technologische Integration mit den übrigen Einrichtungen24,25. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass Anbausysteme wie Microgreens eine große Anzahl an Samen benötigen, die bei kurzzeitigen Missionen eine erhebliche Upload-Masse darstellen können.

Für Langzeitmissionen und die Errichtung stabiler Außenposten auf dem Planeten müssen Grundnahrungsmittel (z. B. Weizen, Kartoffeln, Reis, Soja) einbezogen werden, um die Kohlenhydrate, Proteine ​​und Fette der Grundnahrung bereitzustellen. Außerdem können mehrere Gemüse- und Obstsorten mit längeren Wachstumszyklen (ca. 100 Tage, z. B. Tomaten, Paprika, Bohnen und Beeren) einbezogen werden26. In diesem Szenario werden die Nutzpflanzen auf der Grundlage ihres Nährwerts, ihres Ressourcenbedarfs (z. B. Wasser, Nährstoffe, Licht), des Verhältnisses von essbarer/Abfall-Biomasse, ihrer Lageranforderungen und ihrer Anforderungen an die Abfallbehandlung ausgewählt27. Der Beitrag von Pflanzen zum Ressourcenrecycling wird in diesem Fall erheblich sein und der Anbau erfordert eine große Anbaufläche pro Astronaut und eine tiefe Integration mit dem Rest des Systems und der Subsysteme der Plattform. Bei Langzeitmissionen wird auch die Saatgutproduktion zur Notwendigkeit. Die Samen-zu-Frucht- und Samen-zu-Samen-Zyklen sind heikle Phasen im Pflanzenreproduktionszyklus28. Experimente in simulierter Mikrogravitation zeigten das mögliche Auftreten von Aberrationen bei der Entwicklung der Pollenschläuche29,30. Daher kann das Erreichen dieser Zyklen viel Zeit und Ressourcen in Anspruch nehmen. Sowohl in kurz- als auch in Langzeitmissionsszenarien werden die Akklimatisierung und Anpassung an die Umweltfaktoren im Weltraum entscheidende Kriterien für die Arten- und Sortenauswahl sein.

Auf der Erde müssen Pflanzen Ressourcen investieren, um Blätter zu bilden, die Kohlenstoff in Biomasse umwandeln können, indem sie den photosynthetischen Kohlenstoffgewinn steigern und Wasserverluste durch Evapotranspiration kontrollieren. Die photosynthetische und hydraulische Leistung wird durch strukturelle und physiologische Merkmale vermittelt, die sich über Millionen von Jahren in Gegenwart von „Erd“-Faktoren entwickelt haben31,32, während sie durch Weltraumfaktoren stark beeinflusst werden können33. Dazu gehören Faktoren, die auf der Erde vorhanden sind, jedoch auf unterschiedlichen Ebenen (z. B. Temperatur, Licht, Druck, Zusammensetzung der Atmosphäre), neue Faktoren (z. B. veränderte Schwerkraft und ionisierende Strahlung) und sekundäre Faktoren wie physikalische Prozesse, die durch neue Faktoren verändert werden (z. B. fehlende auftriebsbedingte Konvektion)34. Beispielsweise interagieren Umweltfaktoren, insbesondere Feuchtigkeit und Temperatur, mit der Pollenentwicklung und der Funktionalität von für den Weltraumanbau in Frage kommenden Pflanzenarten35. Zusammen mit einem effizienten Photosyntheseapparat und einem hydraulischen System (z. B. effizienter Transport und Verteilung von Wasser durch das Xylem und stomatale Kontrolle) hängt ein effizientes Pflanzenwachstum und eine effiziente Reproduktion von vielen anderen komplexen Prozessen wie Zellproliferation, Organogenese, Sporogenese und Gametogenese ab, die kontrolliert werden auf verschiedenen Ebenen (z. B. molekular, zellulär, strukturell, physiologisch und biochemisch) durch intrinsische und umweltbedingte Faktoren. Die Weiterentwicklung des Wissens über die Wirkung von Raumfaktoren auf grundlegende biologische Prozesse ist von entscheidender Bedeutung, da die Veränderung solcher Prozesse tiefgreifende Auswirkungen auf die Anforderungen an die Gestaltung von BLSS hat. Beispielsweise hätte die Änderung der photosynthetischen/hydraulischen Koordination direkte Auswirkungen auf die O2-Produktion, würde das bestehende Gleichgewicht mit dem Mannschaftsraum verändern und somit einen anderen Aufbau für die Umweltkontrolle erfordern. Die Pflanzenvermehrung im Weltraum ist unerlässlich, um Missionen von der Erde unabhängig zu machen. Samenversorgung und Experimente sind erforderlich, um das Wissen zu erweitern und eine erfolgreiche Reproduktion im Weltraum sicherzustellen36,37. Die Maximierung von Ressourcen und Nährwerten bei gleichzeitiger Minimierung von Abfällen und Sicherstellung der Samen-zu-Samen-Produktion erfordert die Auswahl von Genotypen, die den Weltraumbedingungen standhalten können, sowie die genaue und zuverlässige Kontrolle der Umwelt- und Anbaubedingungen. Diese fortschreitende Auswahl von Nutzpflanzenarten für den Weltraum kann mit dem Crop Readiness Level (CRL) verfolgt werden, analog zum Technology Readiness Level (TRL). Die CRL wurde erstmals vor etwa 20 Jahren eingeführt und 2019 von Romeyn et al.38 für ISS- und frühe LEO-Tests erneut vorgeschlagen. Ziel ist es, die Erprobung verschiedener Nutzpflanzenarten für ihren Einsatz im Weltraum zu verfolgen. Wie die TRL basiert auch die CRL auf einer Skala von 1 bis 9 und weist „1“ der Identifizierung einer potenziellen Nutzpflanze und „9“ dem Endstadium des Anbaus einer Nutzpflanze im Weltraum zu. In der Mitte sollten Skalartests unter verschiedenen kontrollierten Bedingungen mit unterschiedlichen Endpunkten durchgeführt werden. Das Hauptziel grundlegender pflanzenbiologischer Experimente im Weltraum war die Untersuchung der Auswirkungen von Mikrogravitation und ionisierender Strahlung auf Pflanzenwachstum und physiologische Prozesse (z. B. Hormonsignalisierung, Zelldifferenzierung, tropische Reaktionen und reproduktive Aspekte). Aus diesen Experimenten konnte geschlossen werden, dass die LEO-Mikrogravitation das Pflanzenwachstum nicht behindert, zumindest nicht direkt39,40. Später stellte sich heraus, dass viele der Abweichungen im Pflanzenwachstum, die in frühen Weltraumexperimenten festgestellt wurden, indirekt durch die Mikrogravitation verursacht wurden, und zwar aufgrund des Fehlens einer auftriebsbedingten Konvektion in der Luft, die den Gasaustausch und den Wasserfluss verändert, wenn keine genaue Umweltkontrolle erfolgt41 ,42. Dies zeigt erneut, dass das landwirtschaftliche System und die genaue Kontrolle des Pflanzenwachstumsraums der Schlüssel zum Erreichen einer guten Nahrungsmittelproduktion in quantitativer und qualitativer Hinsicht sind. Frühe Experimente haben Veränderungen in der Lebensmittelqualität von im Weltraum produziertem Gemüse gezeigt43, es sind jedoch weitere Tests erforderlich, insbesondere um die Kontrolle der Probenstabilität beim Wiedereintritt in die Erde zu verbessern.

Die Auswirkungen der Weltraumstrahlung wurden viel weniger untersucht, wahrscheinlich weil alle Experimente bisher in LEO, oft innerhalb der LEO-Einrichtungen, durchgeführt wurden und mit kurzer Exposition durchgeführt wurden, was zu Dosen führt, die zu niedrig sind, um schwerwiegende oder höhere Veränderungen bei Mikroben hervorzurufen Pflanzen, die im Allgemeinen resistenter sind als Säugetiere44. Darüber hinaus stammen die meisten verfügbaren Informationen aus bodengestützten Studien, bei denen das Ziel der akuten Bestrahlung trockene Samen waren, die sich durch die höchste Resistenz gegenüber abiotischen und biotischen Faktoren auszeichnen13. Eine echte Beurteilung strahlungsbedingter Veränderungen während der Pflanzenentwicklung kann nur durch die Analyse der Wirkung realer Weltraumstrahlung auf aktiv wachsende Gewebe erreicht werden. Allerdings ist die derzeit verfügbare Hardware, um Organismen ohne nennenswerte Abschirmung direkt der Weltraumumgebung auszusetzen (z. B. BIOPAN, EXPOSE), aufgrund der reduzierten verfügbaren Volumina und des Fehlens einer spezifischen Umweltkontrolle nicht für das aktive Wachstum höherer Pflanzen geeignet.

Ein weiterer entscheidender Punkt ist das Anbausystem, das von vielen technischen Faktoren abhängt, auch abhängig vom Missionsszenario, das die Anforderungen an Masse und Energiebudget und damit an alle zu verwendenden Materialien vorgibt. Bisher wurden Pflanzenexperimente im Weltraum hauptsächlich mit körnigen Medien oder gel- und mattenartigen Substraten durchgeführt, um die Samen/Pflanzen an Ort und Stelle zu halten, sowie mit Düngerpellets mit kontrollierter Freisetzung unter Zugabe von Wasser10. In einem Außenposten könnte der Pflanzenanbau jedoch auch auf Technologien basieren, die auf der In-Situ-Ressourcennutzung (ISRU) basieren. Dazu gehört die Verwendung von Mond- und Mars-Regolith, das mit Düngemitteln, Ergänzungsmitteln und/oder behandelten Besatzungsabfällen behandelt wurde, um es biokompatibel (ungiftig) zu machen, um den unfruchtbaren anorganischen Mineralien organisches Material hinzuzufügen45,46. Einige Grundlagenstudien zum Pflanzenwachstum in Regolithsimulanzien wurden durchgeführt und sind noch im Gange. Allerdings scheint keines der verfügbaren Simulanzien alle relevanten Merkmale abzudecken, wie etwa die genaue Mineralzusammensetzung, die Redoxchemie oder die Kornform. Darüber hinaus gibt es auch betriebliche Herausforderungen im Zusammenhang mit der Verwendung von Regolith bei veränderter Schwerkraft, die hauptsächlich mit der Staubkontamination innerhalb der Siedlungen, Luftschleusenereignissen und vor allem mit der Wasserableitung zusammenhängen, die sich direkt auf die Anlagenhydraulik auswirkt. Für Letzteres wurde eine Lösung vorgeschlagen, um dem verringerten Schwerkrafteffekt entgegenzuwirken, die mittlere Partikelgröße auf über 1 mm zu erhöhen und ihre Verteilung zu verengen47.

Mit dem Endziel, die Bewohnbarkeit des Weltraums für Menschen zu ermöglichen, können eine Reihe von Wissenslücken identifiziert werden, die in der wichtigsten offenen wissenschaftlichen Frage gipfeln, nämlich wie der Pflanzenanbau und die Nahrungsmittelproduktion im Weltraum verbessert werden können (Abb. 2). Die Identifizierung von Wissenslücken erfordert eine vorläufige Definition der optimalen Lebensmittelproduktionsszenarien entsprechend Referenzmissionsszenarien, die Missionsbeschränkungen und -möglichkeiten definieren. Die Definition solcher optimalen Szenarien ist selbst eine Lücke, bei der die ersten Schritte die Definition des Maßstabs des Pflanzenwachstumsraums (in Bezug auf die Besatzungsgröße und den verfügbaren Platz), die Dauer der Mission, die Verfügbarkeit von Energieressourcen und die Möglichkeit der externen Nutzung sind Ressourcen und Mehranbausysteme. Es besteht auch die Notwendigkeit, die Auswahl von Arten und Sorten zu verbessern, einschließlich der Züchtung von Ideotypen, um den spezifischen unterschiedlichen Referenzmissionen gerecht zu werden. Obwohl umfangreiche Informationen sowohl zur Pflanzenbiologie als auch zum Gartenbau im Weltraum vorliegen, besteht weiterhin die Notwendigkeit, die wichtigsten Trends zu definieren, unabhängig von den unterschiedlichen Versuchsbedingungen. Ziel ist es, mechanistisches Wissen und Vorhersagemodelle für das Pflanzenwachstum in Weltraumpflanzenkompartimenten zu entwickeln, einschließlich reduzierter Schwerkraft und Strahlung als Eingabeparameter48. Bodengestützte Forschung und Experimente in LEO sollten darauf abzielen, die Ressourcenversorgung entsprechend den phänologischen Phasen zu optimieren und Gegenmaßnahmen für den Fall zu definieren, dass suboptimale Werte erreicht werden. Die Überwachung zur Erkennung von frühen Stresssignalen der Pflanzen ist von grundlegender Bedeutung, um Warnungen zu erstellen, Anbauausfälle zu vermeiden und angemessene Gegenmaßnahmen bereitzustellen, falls suboptimale (nicht nominale) Bedingungen auftreten49.

Weitere Forschungsplattformen wie Erde, Mond, Mars und BLEO (Beyond LEO) sind ebenfalls enthalten. Als BLEO werden Langzeitmissionen bezeichnet, die über LEO hinausgehen und ebenfalls nur Reisen/Transit ohne Aufenthalt auf einer Planetenstation beinhalten. Sie stellen sowohl die Grundlage für die Forschung auf der ISS als auch für zukünftige Forschungsaktivitäten nach der ISS dar (z. B. das den Mond umlaufende GATEWAY).

Um die Subsysteme des Weltraumanbaus zu optimieren, müssen eine Reihe von Lücken geschlossen werden, darunter Wissenslücken in der Pflanzenbiologie und Agrartechnologien (Abb. 2). Das Schließen dieser Wissenslücken ermöglicht die Definition artspezifischer Protokolle und Verfahren zur Optimierung der Ressourcennutzungseffizienz für den Pflanzenanbau in BLSS (auch bei Vorhandensein von Raumfaktoren), basierend auf der Identifizierung von Wachstumsanforderungen, die sich je nach Entwicklungsstadium ändern ( Samen, Spross, Sämling, erwachsene Pflanze) oder phänologische Phase (vegetatives Wachstum, Blüte, Fruchtbildung). Parthenokarpie oder kernlose Fruchtentwicklung kann nützlich sein, um Früchte unter Umweltbedingungen zu entwickeln, die für eine erfolgreiche Bestäubung und Befruchtung ungünstig sind50. Die ungeschlechtliche Fortpflanzung kann die Regeneration der Nahrungsressourcen und einen stabilen Nährwert gewährleisten, während die sexuelle Fortpflanzung einen höheren Ausbreitungskoeffizienten und geringere Lager- und Transportkosten gewährleisten kann51.

Daher besteht die Notwendigkeit zu testen und zu ermitteln, welche (1) Substrate (zur Förderung von ISRU), (2) Wasser- und Nährstoffversorgungssysteme, (3) Atmosphärenmanagementsysteme und (4) Beleuchtungssysteme die besten und nachhaltigsten sind. Insbesondere ist es notwendig, den Einfluss direkter Raumfaktoren und anderer Faktoren (z. B. begrenzter Volumina) auf die Wasser- und Nährstoffaufnahme sowie die Auswirkungen verschiedener Anbausysteme und -nutzungen auf die langfristigen Veränderungen von Wachstumssubstraten zu verstehen Dynamik der Wasserabgabe. Es ist wichtig, das Atmosphärenmanagement zu berücksichtigen, d. h. den direkten Einfluss von relativer Luftfeuchtigkeit, Belüftung und Atmosphärenzusammensetzung auf Pflanzenmorphogenese, physiologische Prozesse (insbesondere im Hinblick auf die Koordination von Pflanzenhydraulik und Photosynthese), Produktivität, Ertrag und Qualität (Ernährung) zu verstehen Wert und Sicherheit) der produzierten Lebensmittel. Was das Beleuchtungssystem betrifft, ist es notwendig, den Einfluss der Lichtmenge und -qualität auf Pflanzenmorphogenese, physiologische Prozesse, Produktivität und Nährwerte zu verstehen und zu optimieren. Letztendlich ist es notwendig, die Umwelt- und Anbauanforderungen zu definieren, die sich nicht nur je nach Art/Sorte, sondern auch je nach Lebensstadium und phänologischer Phase ändern.

Es besteht auch die Notwendigkeit, die Auswirkungen der Wirkung von Raum- und Anbaufaktoren allein oder im Zusammenspiel zu entschlüsseln, insbesondere auf die Koordination zwischen Pflanzenhydraulik und Photosynthese im Kontinuum Boden/Substrat-Pflanze-Atmosphäre, indem die Pflanze als Ganzes betrachtet wird. Um diese Ziele zu erreichen, erscheint es notwendig, mehr morphophysiologische und molekularbiologische Tests (zur Untersuchung der Genomstabilität und der Stoffwechselregulation) an Nutzpflanzenarten durchzuführen (zusätzlich zu dem, was an Modellpflanzen wie Arabidopsis thaliana durchgeführt wurde) und zwischen ihnen zu unterscheiden Akklimatisierung und Anpassung von Pflanzen, insbesondere unter Berücksichtigung der Notwendigkeit, eine lebensfähige Samenproduktion über mehrere Generationen hinweg zu gewährleisten. Um den letztgenannten Punkt zu gewährleisten, müssen Engpässe im Fortpflanzungszyklus identifiziert werden, indem man sich auf den gesamten Zyklus oder auf bestimmte Phasen des Samen-zu-Samen-Prozesses (z. B. Blütenentwicklung, Pollenlebensfähigkeit, Befruchtung, Embryogenese) konzentriert, um sie zu definieren Umweltanforderungen und technische Lösungen zur Überwindung dieser Einschränkungen.

Spezifische Maßnahmen zur Schließung der Lücken in der Pflanzenbiologie zur Unterstützung des BLSS-Designs sind:

Verbessern Sie das Wissen über die Ausrichtung des Wurzelwachstums, wobei Sie sich hauptsächlich auf die Wechselwirkungen mehrerer Tropismen konzentrieren, um Erkenntnisse für die Gestaltung von Pflanzenwachstumskammern zu gewinnen.

Identifizieren Sie die Auswirkungen mehrerer Raumfaktoren (z. B. veränderte Schwerkraft und Strahlung) auf die Regenerationsfähigkeit von Pflanzen sowohl durch Klonen als auch durch Reproduktion.

Studieren Sie Biologie in mehrphasigen Flüssigkeitssystemen und -prozessen bei veränderter Schwerkraft, einschließlich Flüssigkeit/Flüssigkeit, Flüssigkeit/Gas und Flüssigkeit/Feststoff, mit aktiver biologischer Produktion von Verbindungen, um die Wirkung veränderter Schwerkraft zu verstehen auf:

Anlagenhydraulik und Gasaustausch, um Anforderungen für die Umgebungskontrolle und Überwachung der Pflanzenwachstumskammern zu definieren, mit besonderem Schwerpunkt auf Feuchtigkeitskontrolle, Luftstrom und Atmosphärenzusammensetzung.

Transport von Wasser und gelösten Stoffen (Wurzelabsorption, Xylem- und Phloemsaftflüsse) zur Verbesserung von Anbausubstraten und Wasser-/Nährstoffabgabesystemen.

Definieren Sie die Abschirmungsanforderungen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Strahlenempfindlichkeit verschiedener Arten und Sorten sowie der vom Lebensstadium abhängigen Empfindlichkeit und berücksichtigen Sie auch die möglichen hormetischen Wirkungen (z. B. Stimulation verschiedener biologischer Prozesse, die auftreten, wenn Organismen einer Bestrahlung mit niedrigen Dosen ausgesetzt werden).

Weitere Wissenslücken betreffen die Interaktion mit anderen Abteilungen. Tatsächlich ist es von grundlegender Bedeutung, die Rolle des Mikrobioms und der Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und nützlichen/pathogenen Mikroorganismen unter Weltraumbedingungen zu bewerten. Vorgelagerte mikrobielle Prozesse im geschlossenen BLSS-Kreislauf werden wahrscheinlich zu dynamischen und nicht optimalen Bedingungen für den Pflanzenanbau (Nährstoffgehalt/-verhältnisse) führen. Daher ist es notwendig, unser Wissen über die Anfälligkeiten und Schwellenwerte der Pflanzen zu verbessern und Möglichkeiten zur Abschwächung zu ermitteln.

Aus technologischer Sicht ist es von entscheidender Bedeutung, Systeme und Verfahren zu entwickeln, um die Anbaubedingungen und das Pflanzenwachstum in Echtzeit zu überwachen und bei Alarmen Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Dazu gehört die Entwicklung von:

Miniaturisierte Sensoren zur Fernsteuerung, Überwachung und Modellierung des Pflanzenwachstums, um die Pflanzenproduktivität im Falle von Anomalien in den verschiedenen Anbausubsystemen vorherzusagen und um Stresssymptome und Krankheiten bei Pflanzen frühzeitig zu erkennen (z. B. hyperspektrale und multispektrale Bildgebung).

Miniaturisierte Sensoren zur Überwachung der Anbaubedingungen. In einem geschlossenen Kreislauf mit dynamischen vorgelagerten Prozessen ist beispielsweise die Überwachung der chemischen und mikrobiellen Wasserqualität sehr wichtig.

Verfahren zur Echtzeitanpassung durch Fernsteuerung von Umwelt-/Anbau-/Wachstumsparametern.

Bei der Auswahl der Arten/Sorten sollten neben den Kriterien im Zusammenhang mit dem Nährwert und gesundheitsfördernden Molekülen (die bevorzugt werden sollten), den Anbauanforderungen und der Resistenz gegen Weltraumfaktoren auch andere Kriterien berücksichtigt werden. Langfristig gesehen sollte bei der Auswahl Arten berücksichtigt werden, die für eine minimale Lebensmittelverarbeitung bestimmt sind. Außerdem sollten Protokolle und Menüs für die minimale Lebensmittelverarbeitung erstellt werden, wobei die Aspekte der Lebensmittelsicherheit zu berücksichtigen sind. Es versteht sich, dass dies möglicherweise nicht für alle Nutzpflanzen möglich ist und einige prozessintensive Grundnahrungsmittel dennoch einbezogen werden müssen (z. B. Weizen, Kartoffeln, Reis). Einige52 haben bereits versucht, ein Menü für Advanced Life Support (ALS) auf der Grundlage der Kulturpflanzenliste der Closed Ecology Experiment Facilities (CEEF) zu entwickeln. Diese Rezepte wurden anhand einiger Indizes bewertet, darunter Nährwertgehalt, Akzeptanz, Frischgewicht der Zutaten und jeweils erforderliche Anbaufläche.

Die Integration aller gewonnenen Erkenntnisse vergangener und zukünftiger Experimente sollte in der Analyse gipfeln, wie Umwelt-/Raum- und Anbaufaktoren harmonisiert werden können, um die pflanzliche Nahrungsmittelproduktion im Weltraum zu verbessern, die Nährwertqualität pflanzlicher Nahrungsmittel zu maximieren und gleichzeitig Anti-Nährstoffe zu reduzieren Faktoren.

Die mikrobielle Biotechnologie zielt auf die Gestaltung, Konstruktion und Steuerung mikrobieller Bioprozesse zur Erzielung gewünschter Endprodukte ab. Mikrobielle Bioprozesse werden auf der Erde in großem Umfang eingesetzt, von der Abwasserbehandlung und der Verarbeitung organischer Abfälle bis hin zur Lebensmittelproduktion (z. B. Teig, Bier, Käse, Joghurt), industrieller Biotechnologie und Arzneimittelproduktion. Obwohl die mikrobielle Biotechnologie derzeit im Weltraum nahezu nicht vorhanden ist, ist sie für die Ressourcenrückgewinnung (d. h. das „Schließen des Kreislaufs“) von entscheidender Bedeutung und ermöglicht eine ressourceneffizientere Luftrevitalisierung, Wasserwiederverwendung, Abfallbehandlung, Lebensmittelproduktion und Produktion von N2 als inertes Atmosphärengas im BLSS. Für zukünftige Missionen zum Mond und Mars müssen weitere mikrobielle biotechnologische Anwendungen erforscht werden. Bisher wurde wenig getan in Bezug auf mikrobielle oder mikrobiell unterstützte Lebensmittelproduktion und Fermentationsprozesse, Probiotika und Nutrazeutika sowie die Produktion von Pharmabiotika (z. B. Antibiotika) im Weltraum. Man könnte die Entwicklung von „DIY“-(Batch-)Anbauanlagen und -Kits an Bord für die Fermentation oder Lebensmittelproduktion (z. B. Brotteig und Backen) untersuchen, die sicher und für die direkte Ernte und den direkten Verzehr geeignet sind und nur minimale Lebensmittelverarbeitung erfordern, aber dennoch das bieten Besatzung mit gesundheitsfördernden Lebensmitteln.

Eines der fortschrittlichsten Konzepte für Bioprozesse im Weltraum sind Mikroalgen-Photobioreaktoren. Sie wurden auf der Erde gut untersucht, wobei Daten und Erkenntnisse aus über 30 Jahren hohe Produktionsraten für viele Arten dokumentieren40. Anwendungen auf der Erde entstehen in vollem Umfang und umfassen die Wasserreinigung, CO2-Abscheidung und -Umwandlung sowie die Produktion von Biomasse für proteinhaltige Nahrungsergänzungsmittel, Biokraftstoffe, Pigmente und andere Produkte. Tatsächlich kann die erzeugte Biomasse recycelt oder auf andere Weise verwertet werden. Zu den untersuchten Ansätzen gehören: seine Verwendung als Nährstoffquelle für andere auf Pflanzen oder Mikroorganismen basierende Prozesse53; seine Einbindung in 3D-Druck-Rohstoffe54; und bei essbaren Arten der Verzehr durch die Besatzung als proteinreiches Nahrungsergänzungsmittel55. Viele in der Entwicklung befindliche BLSS haben tatsächlich Mikroalgen, einschließlich Cyanobakterien, für eine effiziente CO2-Entfernung und O2-Produktion sowie als Nahrungsergänzungsmittel ausgewählt. Mikroalgenprozesse und Bioreaktoren wurden seit Beginn der BLSS-Entwicklung aufgegriffen und im Weltraum untersucht, während andere Bioprozesse (z. B. Nitrifikation zur Urinbehandlung, anaerobe Fermentation zur Abfallzersetzung, Luftbiofilter und Abgasbehandlung, Regolithverwitterung für Metall) untersucht wurden Bergbau und Nährstoffmobilisierung) wurden viel weniger erforscht56,57.

Unseres Wissens wurden nur zwei Mikroalgen-Photobioreaktoren ins All geschickt und nur einer wurde mehrere Wochen lang erfolgreich innerhalb der ISS11 betrieben. Letzteres betrug nur 50 ml. Es wurde im Batch-Modus betrieben und konzentrierte sich auf die Biomasseproduktion für die zellbiologische, molekularbiologische und biochemische Forschung. Das für die O2-Produktion entwickelte mechanistische Modell des Photobioreaktors passte zu den experimentellen Daten, die bei diesem ISS-Experiment erhalten wurden11. Unter Weltraumbedingungen wurden nur wenige Erkenntnisse über die Produktumwandlung und biochemische Endprodukte (die beispielsweise für den Abbau von Abfällen, die Wasseraufbereitung oder die Fermentation erforderlich wären) oder über die Kinetik von Bioprozessen im Weltraum gewonnen. Die Online-Überwachung war oft nicht mit der Flughardware kompatibel (z. B. Einschränkungen hinsichtlich Masse, Größe und Energie) oder wurde als zu teuer erachtet. Daher blieben die Steuerung und Datenübertragung von Bioprozessen in Echtzeit sehr begrenzt. Darüber hinaus muss noch die Entwicklung des Mikrobenstamms oder der Mikrobengemeinschaft des Bioreaktors über mehrere Generationen im Weltraum und damit die potenzielle Abweichung der Prozesseffizienz oder der Produkte untersucht werden.

Bioreaktoren begrenzen Bioprozesse und ermöglichen deren Kontrolle unabhängig von natürlichen Umweltbedingungen. Ziel ist je nach Zweck entweder die Maximierung des Wachstums (z. B. Produktion essbarer Biomasse) oder die Steigerung ihrer Leistung im Hinblick auf den Abbau von Abfallprodukten. Eine große Herausforderung bei Weltraumbioreaktoren besteht darin, im Weltraum die gleichen Prozessbedingungen wie auf der Erde (d. h. Licht, Ernährung, Temperatur, pH-Wert und Wasserverfügbarkeit) durchzusetzen und zu regulieren und dabei strenge Sicherheitsaspekte sowie Masse, Leistung, und Volumenbeschränkungen. Eine weitere Herausforderung betrifft die Integration biologischer und physikalisch-chemischer Komponenten. In diesem Sinne wurde im zweiten Quartal 2019 das Experiment Photobioreactor at the Life Support Rack (PBR@LSR) zur ISS gestartet. Ziel war es, die Machbarkeit von langfristige Kultivierung von Mikroalgen (Chlorella vulgaris) unter Weltraumbedingungen und um erstmals die Technologie und Leistungsfähigkeit eines hybriden Lebenserhaltungssystems (das physikalisch-chemische und biotechnologische Komponenten kombiniert) zu demonstrieren58. Schließlich müssen die mit Schwerkraft und Strahlung verbundenen Phänomene in mikrobiellen Bioreaktoren im Weltraum und ihre Auswirkungen auf die Biologie noch gründlich untersucht werden.

Mit dem Endziel, die Bewohnbarkeit des menschlichen Weltraums zu unterstützen, können eine Reihe von Wissenslücken identifiziert werden, die in der wichtigsten offenen wissenschaftlichen Frage gipfeln, nämlich der Frage, wie effektive Weltraumbioreaktoren entworfen werden können (Abb. 3). Die folgenden Maßnahmen und offenen Fragen müssen für die Weltraumbiowissenschaftstechnik und Weltraumbiotechnologie in Betracht gezogen werden:

Weitere Forschungsplattformen wie Erde, Mond, Mars und BLEO sind ebenfalls enthalten. Als BLEO werden Langzeitmissionen bezeichnet, die über LEO hinausgehen und ebenfalls nur Reisen/Transit ohne Aufenthalt auf einer Planetenstation beinhalten. Sie stellen sowohl die Grundlage für die Forschung auf der ISS als auch für zukünftige Forschungsaktivitäten nach der ISS dar (z. B. das den Mond umlaufende GATEWAY).

Einzelne Bioreaktoren/Bioprozesse:

Entwickeln Sie geeignete Lösungen (und Technologien) für die Lagerung, den Transport, die Aktivierung und das Abschalten mikrobieller Bioprozesse unter Weltraumbedingungen, die eine veränderte Schwerkraft und eine erhöhte ionisierende Strahlung verursachen.

Weitere Intensivierung von Bioprozessen und Miniaturisierung von Bioreaktoren für Weltraummissionen, die stark eingeschränkte Massen, Volumina und Ressourcen erfordern (z. B. Implementierung/Entwicklung von Prozessen/Reaktoren mit hoher Zelldichte; Erhöhung des Massentransports durch mechanisches Mischen oder Pumpen, wodurch möglicherweise die Scherspannung erhöht wird; Verbesserung der Interphase). Stoffaustauschraten, z. B. Gas-Flüssigkeits-Austausch mittels Membrantechnologien).

Definieren Sie die beste Konfiguration für Weltraum-Photobioreaktoren und Erntesysteme auf einer Raumstation oder einem Außenposten. Es lohnt sich zu untersuchen, ob Biologie (z. B. Wachstumskinetik und Entwicklungsrate von Mikroorganismen) und Bioprozesse von Gegenmaßnahmen wie künstlicher (Hypo-)Schwerkraft, Magnetfeldern und künstlichem oder natürlichem Licht profitieren würden.

Entwickeln Sie geeignete Lösungen (und Technologien) für eine vollständige Bioüberwachung und Bioprozesskontrolle aus der Ferne.

Entwickeln Sie nicht-invasive und biokompatible Sensoren und Analysegeräte, die mit den Weltraumbedingungen kompatibel sind, und führen Sie In-situ-Messungen des physiologischen Transports (z. B. Wasser und Nährstoffe) und Austauschs (z. B. Gase wie O2 und CO2) in einer Bioreaktorkultur durch.

Charakterisieren und verstehen Sie die Phasentrennung (Gas-Flüssigkeit, Flüssigkeit-Flüssigkeit) und Mischung, einschließlich der Bestimmung und Vorhersage von Heterogenitäten in Reaktionsvolumina sowie der Kinetik und Stöchiometrie für verschiedene Konfigurationen. Wichtige Schritte, die es zu beachten gilt, sind auch die Ernte von Biomasse und die Fest-Flüssigkeits-Trennung bei gleichzeitiger sicherer Aufbewahrung der Biomasse für die Verwendung mit bester Nährwertqualität.

Bestimmen Sie die Risiken mikrobieller und chemischer Kontamination/Verderb bei Bioreaktorvorgängen und -produkten und definieren Sie die Lagerung und Logistik von Vorräten (Utensilien, Wasser, Lebensmittel usw.) für die Raumfahrt.

Vernetzte Bioreaktoren/Bioprozesse:

Wenn verschiedene Bioprozesse und Bioreaktoren zum Schließen eines Kreislaufs gekoppelt und über einen langen Zeitraum betriebsbereit gehalten werden, ergeben sich zusätzliche Herausforderungen im Zusammenhang mit:

Wie kann eine (Kreuz-)Kontamination bei der Kopplung axenischer Prozesse verhindert werden?

Wie können potenziell schädliche Metaboliten oder (mikrobielle) Zellkommunikation (Quorum-Sensing-Moleküle) zwischen miteinander verbundenen Bioreaktoren verhindert werden?

Wie lässt sich der Kreislauf steuern und mit potenziellen Betriebsproblemen/Ausfällen einiger seiner Elemente umgehen?

Entwickeln Sie Ad-hoc-Experimente und Modelle, um die Bioprozesse je nach den verschiedenen Missionsszenarien in unterschiedlichen Größen- und Zeitskalen zu bewerten.

Aktuelle Experimente und Tests mit Bioreaktoren werden bisher nur für kurze Zeiträume (einige Tage oder Wochen) durchgeführt. Wenn diese Systeme Teil eines BLSS sein sollen, müssen sie über lange Zeiträume zuverlässig funktionieren. Das Problem der langfristigen Leistungen muss angegangen werden, einschließlich sowohl technischer als auch biologischer Aktivitäten:

Erkunden Sie die Verwendbarkeit (Funktionalität und Stabilität) einer Vielzahl bodengestützter validierter Mikroben und Gemeinschaften (einschließlich gentechnisch veränderter oder anderweitig synthetischer) und identifizieren Sie die am besten geeigneten Kandidaten für die prä- und probiotische, nutrazeutische oder medizinische Produktion im Weltraum als Schutz oder therapeutische Gegenmaßnahmen für Strahlenschutz, gesundes Darmmikrobiom, Verdauung, Haut- und Wundbehandlung, parodontale Gesundheit (Mund und Zähne).

Bewerten Sie das Potenzial des 3D-Lebensmitteldrucks und anderer zukünftiger Lebensmittelprodukte aus mikrobiellen und pilzlichen Quellen.

Weitere Untersuchung biogener ISRU-Prozesse wie Biolaugung (z. B. Gewinnung seltener Erdelemente) und Biomineralisierung (z. B. biologisch basierte Ziegel, Reduzierung der Regolith-Toxizität oder Staub durch Mineralisierung). Dazu gehört das Verständnis mikrobieller-mineralischer Wechselwirkungen anhand gesammelter Mond- oder Marsproben und/oder repräsentativer Simulationen unter Weltraumbedingungen.

Nutzen Sie neben der ISS auch andere LEO-Raumflugplattformen und -möglichkeiten sowie Mondlander oder Rover als Testumgebung für miniaturisierte Komponenten von LSS-Bioprozessen, um die Auswirkungen von Weltraumumweltfaktoren auf die bio(technologischen) Leistungen zu bewerten.

Der Entwurf eines BLSS ist äußerst anspruchsvoll und obwohl es mehrere mögliche Entwürfe gibt, muss der hohe Schleifenschluss erst noch mit Demonstratoren auf der Erde und dann im Weltraum demonstriert werden.

Die treibenden Elemente für die Gestaltung eines idealen BLSS sind:

Zuverlässige Steuerung der Atmosphärenzusammensetzung entsprechend den Anforderungen der verschiedenen Unterkompartimente.

Ausreichende und zuverlässige Feuchtigkeitskontrolle und maximale Wasserrückgewinnung in Trinkwasser.

Produktion sicherer Lebensmittel mit hohem Nährwert, minimalem Ressourcenbedarf und maximalem Ernteindex (Verhältnis von essbarer zur Gesamtbiomasse).

Effizientes Management (z. B. Eindämmung für die biologische Sicherheit) und maximale Rückumwandlung von Abfällen, CO2 und Mineralien in Ressourcen für die Luftrevitalisierung (z. B. O2, N2) oder die Pflanzenproduktion (z. B. NPK-Düngemittel) in einer minimalen Anzahl vereinfachter Verfahren Recyclingschritte bei minimalem Ressourcenverbrauch.

Verwendung gut charakterisierter, zuverlässiger und sicherer Organismen und Gemeinschaften, die vorzugsweise über ein gewisses Maß an „Weltraumrobustheit“ verfügen.

Aufrechterhaltung einer biologisch sicheren und gesunden Lebensraumumgebung (frei von Abfall, mikrobiellen und chemischen Gefahren).

Kleine, leichte und einfach zu handhabende, selbstregulierende Betriebseinheiten (z. B. Bioreaktoren, Pflanzenwachstumskammern), die für die Raumfahrt geeignet sind (im Falle von Orbitalstationen oder Raumtransportfahrzeugen).

Mögliche Nutzung der vor Ort verfügbaren Ressourcen (einschließlich Abfall).

Robuste und effektive mechanistische Modelle jedes Kompartiments und des BLSS als Ganzes, um potenzielle Ausfälle vorherzusagen und zu antizipieren, eine robuste und zuverlässige Steuerung zu ermöglichen und eine Bewertung und einen Vergleich des Systemdesigns zu ermöglichen.

Jedes BLSS-Design erfordert eine intelligente Kombination mehrerer Organismen und Bioprozesse, die alle zum Schließen des Kreislaufs beitragen. Ein entscheidender Punkt ist die Auswahl von Organismen, die bei geringer Schwerkraft oder hoher Strahlung eine hohe Produktivität aufrechterhalten können und die als Nährstoffe auf Materialien zurückgreifen können, die natürlicherweise auf dem Mond oder dem Mars (teilweise oder ausschließlich) verfügbar sind.

Auf der Erde können die in der Biotechnologie verwendeten Organismen (umweltbezogene) natürliche oder (gnotobiotische) synthetische Gemeinschaften, im Labor ausgewählte axenische Isolate, Sorten oder manipulierte Organismen sein, die in industriellen und landwirtschaftlichen Anwendungen eingesetzt werden. Einige der mikrobiellen und pflanzlichen biotechnologischen Anwendungen basieren auf Metabolic Engineering, dem Einsatz rekombinanter DNA-Techniken und/oder heterologer Expression, um die Zellproduktion auf die gewünschten Endprodukte abzustimmen. Die aktuelle Weltraumforschung konzentriert sich auf eine begrenzte Anzahl bekannter Organismen. Für Weltraum-BLSS-Anwendungen in Europa wurden unseres Wissens bisher nur natürliche Stämme, Gemeinschaften und Sorten in die engere Auswahl genommen und untersucht. Auf der Erde nutzen viele Bioprozesse (z. B. Lebensmittelprozesse) gut charakterisierte „industrielle“ Stämme, die speziell ausgewählt wurden, um „für ihren Zweck geeignet“ zu sein (z. B. Hefe für die Brot- oder Bierproduktion), bei denen es sich um robuste Stämme handelt, die über viele Zyklen hinweg gezielt entwickelt wurden und für eine hohe Produktivität unter den spezifischen technischen Produktionsbedingungen angepasst. Auch gentechnisch veränderte Organismen (GVO) werden in Forschung und Entwicklung oder Produktion außerhalb Europas eingesetzt59. Darüber hinaus könnte der Einsatz der Pflanzenbiotechnologie zur Modellierung und Definition eines Weltraumideotyps nützlich sein. Adaptive Evolution oder andere biotechnologische Werkzeuge könnten nützlich sein, um geeignete „weltraumangepasste“ und „ISRU-optimierte“ Stämme/Sorten zu erhalten.

Um die Herausforderung der BLSS-Realisierung zu meistern, müssen zwei Hauptfragen angegangen werden, nämlich „wie man das Design künstlicher Ökosysteme und den Schleifenschluss optimiert“ und schließlich „welche neuartigen Materialien für und von BLSS im Weltraum verwendet werden können“. Um diese Probleme anzugehen, müssen spezifische Wissenslücken geschlossen werden, wie in Abb. 4 dargestellt.

Weitere Forschungsplattformen wie Erde, Mond, Mars und BLEO sind ebenfalls enthalten. Als BLEO werden Langzeitmissionen bezeichnet, die über LEO hinausgehen und ebenfalls nur Reisen/Transit ohne Aufenthalt auf einer Planetenstation beinhalten. Sie stellen sowohl die Grundlage für die Forschung auf der ISS als auch für zukünftige Forschungsaktivitäten nach der ISS dar (z. B. das GATEWAY im Mondorbit).

Ein Hauptziel besteht darin, die wesentlichen Bioprozesse und Biomaterialien sowie minimale und optimale Kombinationen davon zu definieren, um eine maximale Umwandlungseffizienz und Ressourcenrückgewinnung zu erreichen. Entdeckungen und neue Erkenntnisse über Bioprozesse, Nährstoffkreisläufe und die Funktionsweise von Ökosystemen sollten übernommen werden. Darüber hinaus kann die Anwendung eines Lebenszyklusanalyseansatzes für die Analyse der Zusammenhänge zwischen Kompartimenten nützlich sein. Ein „Biomanufacturing“-Ansatz, der auf der In-situ-Ressourcennutzung und -integration basiert, wie von Berliner et al. (2021)60 sollte in Betracht gezogen werden, um eine bemannte Weltraumforschung zu erreichen.

Darüber hinaus sollen mechanistische Wissensmodelle und Vorhersagemodelle für die Prozess- und Systemsteuerung entwickelt werden. Tatsächlich erfordert die Prozess- und Systemsteuerung eine (prädiktive) Modellierung, die wiederum ein tiefgreifendes Verständnis der elementaren biologischen, physiologischen und physikalischen Mechanismen erfordert. Das Potenzial bestehender und zukünftiger Biomaterialien und neuer Biomaterialien für BLSS sollte umfassender erforscht werden, über Modellarten/-sorten/-stämme hinausgehen und die Verwendbarkeit verschiedener Elemente bewerten, um die am besten geeigneten Kandidaten zu identifizieren. Bei Bioprozessen geht es darum, zu bewerten, ob ein künstliches Ökosystem vollständig mit getrennten, gut charakterisierten axenischen Kulturen oder gnotobiotischen Gemeinschaften aufgebaut werden kann (was aus Gründen der Prozesskontrolle und Produktsicherheit bevorzugt wird); oder wenn die Verwendung komplexer oder neuer natürlicher, nicht identifizierter Mikroben und Gemeinschaften erforderlich/vorteilhaft ist. Im letzteren Fall ist eine gründliche Bewertung erforderlich, wie die Nutzung nicht identifizierter Gemeinschaften, einschließlich ihrer Selbstanpassung an die Weltraumbedingungen und Selbstentwicklung, die rationalen mechanistischen Entwurfs- und Kontrollstrategien für technische BLSS sowie die Vorhersage in Frage stellt/behindert Bewertung der Leistungen und Risiken. Man könnte davon ausgehen, dass dieser Ansatz die folgenden Punkte erfüllt:

Steigern Sie die Fitness relevanter Organismen unter bestimmten Umweltbedingungen.

Verbessern Sie die Effizienz bestehender Bioprozesse.

Ermöglichen Sie neue biologische Funktionen (z. B. Produktion neuer Verbindungen, Verwertung schwer zu recycelnder Abfälle, Nutzung der auf Mond und Mars verfügbaren Materialien).

Erkunden Sie die potenzielle Verwendung von Materialien, die auf Planetenoberflächen verfügbar sind (z. B. Mond- und Mars-Regolith, Marsatmosphäre) als Input für BLSS (ISRU), um die Nachhaltigkeit des Systems zu verbessern.

Für die ISRU-Realisierung sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:

Entwickeln Sie Methoden und Technologien für die Nutzung von Planetensubstraten als Nährstoffquellen für BLSS (z. B. Methoden zur Auswaschung und Extraktion von Nährstoffen für Düngemittel).

Entwickeln Sie Methoden und Technologien für die Verwendung von Planetenmaterialien als physische Unterstützung (z. B. als Trägermaterialien oder Substrat für den Pflanzenanbau) und definieren Sie außerdem Verfahren und Protokolle zur Verbesserung der physikalischen und chemischen Eigenschaften (z. B. Reduzierung der Toxizität) von Mond- und Mars-Regolith.

Entwickeln Sie spezifische Verfahren zur Regolithsanierung unter Verwendung von Abfällen aus den verschiedenen BLSS-Kompartimenten.

Entwickeln Sie Methoden und Technologien für die Verwendung von Planetenmaterialien als Strukturmaterial für die BLSS-Infrastruktur und die Anbauanlage selbst (Skelett, Tanks usw.). Es sollte beurteilt werden, welche Komponenten von BLSS im Flug hergestellt werden können, z. B. durch 3D-Druck außerhalb der Erde unter Verwendung von Materialien, die auf der Mond- und Marsoberfläche verfügbar sind.

Bewerten Sie die Haltbarkeit solcher Materialien (z. B. Substrate) bei längerer Verwendung oder Wiederverwendung über mehrere Kultivierungszyklen.

Eine weitere Lücke besteht in der Entwicklung von Methoden und Verfahren zur Bewertung und Gewährleistung der Stabilität, Zuverlässigkeit, Robustheit und Sicherheit von Subsystemen und des gesamten BLSS unter verschiedenen Betriebsbedingungen in den verschiedenen Missionsszenarien.

Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist die Auswirkung von sanitären und pharmakologischen Gegenmaßnahmen auf zirkuläre BLSS, um Regeln für die Einbeziehung oder den Ausschluss bestimmter Abfallströme festzulegen. Auch wenn die Sekretion und Widerspenstigkeit eines Arzneimittels und sein Schicksal in einem regenerativen und zirkulären Lebensmittelproduktionssystem (und allen seinen Schritten) eindeutig zweitrangig gegenüber seiner Sicherheit für den menschlichen Wirt und der Wirksamkeit der Behandlung sind, sollten sie bewertet und als Auswahl berücksichtigt werden Kriterium für den Einsatz von Medikamenten in zukünftigen Weltraummissionen, die regenerative Lebenserhaltung erfordern61.

Es versteht sich von selbst, dass ein dringender Bedarf besteht, europäische BLSS-Anlagen auf der Erde für langfristige, integrierte Tests weiterzuentwickeln, einschließlich aller Module des BLSS (z. B. Reaktoren, Bioreaktoren, höhere Pflanzenkammern, Separatoren, Reinigungsverfahren) in Kombination mit andere Habitat- und Besatzungsaktivitäten (z. B. EVAs, medizinisch-psychologische Verhaltens-Akzeptanz-Aspekte). Diese integrierten Testeinrichtungen müssen modular, robust und einfach zu reaktivieren und zu erweitern sein. Sie wären von grundlegender Bedeutung, um den idealen Schleifenschluss auf der Erde bei repräsentativer Besatzungsgröße und -dauer zu demonstrieren.

Die mögliche Einführung neuartiger Biomaterialien verdient einen besonderen Fokus, da sie spezifische Teillücken aufweist (Abb. 4). Die mikrobielle und pflanzliche Biotechnologie im Weltraum ist ein großer Fortschritt gegenüber der aktuellen erdbasierten Biotechnologie und ein zusätzlicher Anreiz zur Erforschung neuartiger Materialien für und von BLSS. Idealerweise sollten solche neuartigen Materialien in einem geschlossenen Kreislauf recycelbar sein. In dieser Vision wird es von grundlegender Bedeutung, die Biokompatibilität von BLSS-Materialien und -Produkten für den sicheren Kontakt mit der Besatzung und den langfristigen Einsatz in geschlossenen Umgebungen zu verbessern. Im Rahmen der Zirkularität sollte untersucht werden, ob (Abfall-)Produkte aus Bioreaktoren oder dem Pflanzenanbau für das „Bioprinting“ von Biomaterialien zur Unterstützung der menschlichen Gewebezüchtung sowie zur Herstellung von Biomaterialien für die (Bio-)Herstellung und (Bio-)Herstellung verwendet werden können. Herstellung von Bordraumstationen62,63. Einige Beispiele für Biomaterialien sind Öle und Schmierstoffe, Biokraftstoffe, Biokunststoffe und Biotinten für den 3D-Druck (z. B. von Biofilmen). Es lohnt sich zu untersuchen, ob neuartige biokompatible Materialien für die Lichtabfangung in Photobioreaktoren und Pflanzenwachstumsmodulen entwickelt werden können, um UV-Strahlung zu reflektieren und gleichzeitig sichtbare und infrarote Strahlung zu übertragen. Diese Materialien wären im Idealfall in der Lage, großen Innen-Außen-Druckunterschieden standzuhalten und eine Überhitzung zu verhindern, ermöglichen aber eine effiziente Wärmekontrolle (z. B. würden sie den Großteil der Wärme der Infrarotstrahlung ableiten). Schließlich sollte die Möglichkeit bewertet werden, neue und biointeraktive Funktionalitäten in Materialien zu integrieren (z. B. Flexibilität, Transparenz, Kontrolle der Oberflächenspannung, biologische Abbaubarkeit, Sterilisationsbeständigkeit, Beständigkeit gegen Biofouling, Sensorgeräte usw.), um die Funktionalität der Kultivierungshardware zu verbessern und Haltbarkeit.

Jedes BLSS für Weltraumanwendungen muss als verkleinertes Modell eines terrestrischen Ökosystems betrachtet werden. Jede BLSS-Entwicklung unterliegt einer intrinsischen und obligatorischen Bewertung auf Systemebene. Ein BLSS für den Weltraum muss die Grundanforderungen eines erweiterten LSS erfüllen, die im NASA Baseline Values ​​and Assumptions Document (BVAD)64 vorgesehen sind. Etwa 40–50 m2 Pflanzen, die unter hoher Lichtintensität (>500 μmol m−2 s−1) angebaut werden, wären erforderlich, um genügend Nahrungskalorien zu produzieren und die gesamte O2-Produktion und CO2-Entfernung für einen Menschen zu gewährleisten. Allerdings wurden bisher alle BLSS-Studien bodengestützt durchgeführt und die Ergebnisse müssen unter Weltraumbedingungen getestet werden33.

Die Prioritäten für Raumfahrtprogramme erfordern Verbesserungen in den folgenden Interessenbereichen:

Die „Mikrobenkompartimente“: für das effiziente Recycling organischer Abfälle und auch für die Nutzung von Mikroben als Ersatz für Mars- und Mondregolith.

Das „Pflanzenkompartiment“: für den effizienten Anbau von Grund- und Nicht-Grundnahrungspflanzen (einschließlich Polykultur) zur Ressourcenregeneration und Nahrungsmittelproduktion sowie für die Möglichkeit, den Samen-zu-Samen-Zyklus zu erreichen, um Unabhängigkeit von den Vorräten der Erde zu erreichen.

Feine Fernüberwachung und Steuerung der Umgebungsbedingungen sowie Automatisierung aller Prozesse.

Die mögliche Einführung neuartiger Biomaterialien.

Diese Bereiche sind in der Tat auch für Erdprozesse von Interesse, da in BLSS grundsätzlich dieselben Fragen und Probleme behandelt werden wie diejenigen, die sich mit der Nachhaltigkeit von Prozessen im Management unserer Erdökosysteme befassen. Es versteht sich von selbst, dass diese Art der Wissensentwicklung heute für die Umwelttechnik auf der Erde von großer Bedeutung ist, ähnlich wie die Weltraumprogramme im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) für die Informatik in den sechziger Jahren. Tatsächlich ist diese Art von Forschung für die Agrar- und Ernährungswirtschaft sowie das Gesundheitswesen auf der Erde von Nutzen, wo sie bereits zu wertvollen Anwendungen wie Verbesserungen der Automatisierung und Kontrolle bei der Pflanzenüberwachung oder bei gefriergetrockneten Lebensmitteln geführt hat und auch weiterhin zahlreiche Vorteile bringen wird. Darüber hinaus steht es perfekt im Einklang mit der Kreislaufwirtschaft und den New Green Deal-Richtlinien der EU-Kommission65. Die BLSS-Forschung hat eine klare Relevanz für viele nachhaltige Entwicklungsziele (SDGs) der EU und insbesondere für SGS n. 2 (Kein Hunger), 3 (Gesundheit und Wohlbefinden), 4 (Hochwertige Bildung), 6 (Sauberes Wasser und Sanitäranlagen), 7 (Bezahlbare und saubere Energie), 11 (Nachhaltige Städte und Gemeinden) und 12 (Verantwortungsvoller Konsum). und Produktion), wie in Abb. 5 zusammengefasst. Die 17 Ziele decken soziale, wirtschaftliche und ökologische Entwicklungsherausforderungen ab und jedes hat eine Reihe von Zielen, die miteinander verbunden sind, sodass der Erfolg eines Ziels immer die Bewältigung mehrerer anderer Ziele erfordert66,67 . Um nur einige zu nennen: Die BLSS-Forschung unterstützt die Präzisionslandwirtschaft und trägt zur Entwicklung von Instrumenten zur Verbesserung der Pflanzenüberwachung bei, um Landwirten wertvollere Daten bereitzustellen und ihnen zu helfen, ihre Erträge zu steigern und Nahrungsmittelknappheit zu vermeiden (SDGs 2,6). Es wird möglich sein, den Einsatz von Satelliten zur Kartierung der Ausbreitung von Krankheiten und Notfällen im Bereich der öffentlichen Gesundheit zu verbessern (SDG 3), Kindern das Fernlernen zu ermöglichen und das Bewusstsein für MINT-Ausbildungsmöglichkeiten zu schärfen (SDG 4) sowie große Fortschritte bei der Wasseraufbereitung zu erzielen Ressourcenregeneration zur Förderung und Steigerung recycelter Ressourcen/Produkte (SDG 12). Daher ist der Weltraum ein großartiges Instrument, um der Gemeinschaft dabei zu helfen, die SDGs auf der Erde im Rahmen einer Vision einer Kreislaufwirtschaft zu erreichen.

Daher kann weltraumorientierte Forschung Vorteile für die Nachhaltigkeitsziele der Erde bringen.

Die Entwicklung lebenserhaltender Systeme ist ein multidisziplinäres und generationenübergreifendes Unterfangen. Wissenschaftler und Ingenieure von heute entwickeln die Systeme von morgen, die für die Mond- und Marsmissionen der folgenden Jahrzehnte benötigt werden. Die gemeinsamen Anstrengungen vieler Disziplinen, von der Mikrobiologie bis zur Botanik, vom Gartenbau bis zur Systemtechnik und von der Zellbiologie bis zur Biotechnologie, führen zu wissenschaftlichen und technologischen Fortschritten, die auch der Erde unmittelbare Vorteile bringen. Dennoch bestehen auf der Ebene der Grundlagenwissenschaften und technologischen Gesichtspunkte viele Lücken bei der Realisierung und Integration von Subsystemen in ein enges BLSS. Jedes BLSS-Design erfordert eine intelligente Kombination mehrerer Organismen und Bioprozesse, die bei veränderter Schwerkraft oder hoher Strahlungsintensität eine hohe Funktionseffizienz aufrechterhalten können und von der Nutzung der vor Ort verfügbaren Ressourcen profitieren könnten.

Um die immer noch zahlreichen Herausforderungen zu meistern, sind auch gemeinsame Anstrengungen erforderlich, um in die nächsten Generationen junger MINT-Talente (Science Technology Engineering Mathematics) zu investieren. Darüber hinaus sollten Unternehmer frühzeitig eingebunden werden. Zu diesem Zweck sollten Bildungs-, Schulungs- und Kommunikationsprogramme entwickelt werden, darunter:

alle relevanten MINT-Disziplinen: Mikroben-/Pflanzen-/Tier-/Humanbiologie, Molekularbiologie, Biochemie, Bioinformatik und Biostatistik, Bioingenieurwesen, Umweltingenieurwesen, Mathematik, Modellierung, Steuerung und Automatisierung, Agrarwissenschaften und -technologie, Lebensmittelwissenschaft und -technologie, Designwissenschaften, sowie interdisziplinäre Programme.

alle öffentlichen Arten und Altersgruppen: Grundschul- und weiterführende Schulprojekte, BSc- und MSc-Lehrpläne und Abschlussarbeiten, wissenschaftliche und technische Praktika und Besuche, Doktoranden- und Postdoktorandenprogramme, Sommerschulen, Workshops, Citizen Science-Projekte, wissenschaftliche und allgemeine öffentliche Konferenzen usw.

Die Rahmenvision solcher Untersuchungen besteht darin, das Ziel zu erreichen, über das „einfache“ menschliche Überleben im Weltraum hinaus zu einer langfristigen menschlichen Bewohnbarkeit im Weltraum zu gelangen.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Research Reporting Summary.

Im gesamten Manuskript wurden keine Daten generiert.

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Diese Arbeit wurde von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) unterstützt. Dieses Perspektivenpapier basiert auf der Arbeit der Mitwirkenden der ESA, dem ESA SciSpacE-Weißbuch „ROADMAP #11: Bioregenerative Lebenserhaltungssysteme im Weltraum: Weltraumbiotechnologie und Weltraumlandwirtschaft“, in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt: Giovanna Aronne, Alberto Battistelli, Eugenie Carnero , Gisela Detrell, Claude-Gilles DUSSAP, Ramon Ganigue, Øyvind Jakobsen, Natalie Leys (Koordinatorin), Veronica De Micco (Koordinatorin), Stephania, De Pascale, Lucie Poulet, Rob Van Houdt, Cyprien Verseux, Siegfried E. Vlaeminck, Ronnie Willaert .

Abteilung für Agrarwissenschaften, Universität Neapel Federico II, via Università 100, 80055, Portici (NA), Italien

Veronica De Micco, Chiara Amitrano, Giovanna Aronne und Stefania De Pascale

Abteilung für Mikrobiologie, nuklearmedizinische Anwendungen, Belgisches Kernforschungszentrum (SCK CEN), 2400, Mol, Belgien

Felice Mastroleo, Rob Van Houdt und Natalie Leys

Institut für Forschung zu terrestrischen Ökosystemen, Nationaler Forschungsrat, Viale Marconi 2, 05010, Porano (TR), Italien

Alberto Battistelli

Institut für Systematik, Evolution, Biodiversität, Universität Sorbonne, Nationalmuseum für Naturgeschichte, CNRS, EPHE, UA, 45, rue Buffon CP50, 75005, Paris, Frankreich

Eugenie Carnero-Diaz

Institut für Raumfahrtsysteme, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 29, 70569, Stuttgart, Deutschland

Gisela Detrell

Universität Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Pascal Institute, F-63000, Clermont-Ferrand, Frankreich

Claude-Gilles Dussap und Lucie Poulet

Zentrum für mikrobielle Ökologie und Technologie, Universität Gent, Coupure Links 653, 9000, Gent, Belgien

Ramon Ganigué

Zentrum für interdisziplinäre Forschung im Weltraum (CIRiS), NTNU Social Research, Trondheim, Norwegen

Øyvind Mejdell Jakobsen

Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM), Universität Bremen, 28359, Bremen, Deutschland

Cyprien Verseux

Forschungsgruppe für nachhaltige Energie-, Luft- und Wassertechnologie, Universität Antwerpen, 2020, Antwerpen, Belgien

Siegfried E. Vlaeminck

Forschungsgruppen NAMI und NANO, Vrije Universiteit Brussel, Pleinlaan 2, 1050, Brüssel, Belgien

Ronnie Willaert

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VD, CA, FM, GA, AB, EC, SD, GD, CD, RG, OM, LP, RV, CV, SV, RW und NL haben das Konzept dieses Perspektivpapiers entwickelt. VD, CA, FM und NL entwickelten eine erste Struktur des Manuskripts. VD übernahm die Koordination und das Schreiben; VD, CA, FM und NL haben bestimmte Teile des Manuskripts geschrieben. Alle Autoren gaben kritisches Feedback und gestalteten das Konzept und die Perspektiven mit. Alle Autoren haben die eingereichte Version des Manuskripts überarbeitet und genehmigt.

Korrespondenz mit Veronica De Micco.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

De Micco, V., Amitrano, C., Mastroleo, F. et al. Pflanzen- und Mikrobenwissenschaft und -technologie als Eckpfeiler bioregenerativer Lebenserhaltungssysteme im Weltraum. npj Microgravity 9, 69 (2023). https://doi.org/10.1038/s41526-023-00317-9

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Eingegangen: 02. Februar 2023

Angenommen: 02. August 2023

Veröffentlicht: 24. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41526-023-00317-9

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