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NASA-Astronauten nahmen dieses Foto der Erde aus einer Entfernung von 36.000 nautischen Meilen während der Apollo 10-Mission im Jahr 1969 auf.(Bildnachweis: NASA)

Stellen Sie sich vor, Sie leben an einem Ort, an dem Ihr Überleben davon abhängt, dass Sie innerhalb Ihrer Grenzen leben, nicht mehr Nahrung und Energie verbrauchen, als Sie produzieren, genügend frisches Wasser und Luft zum Leben erzeugen, Abfälle auf ein Minimum reduzieren, alles recyceln, was Sie können, und die Umwelt um Sie herum nicht verschmutzen. Das ist es, was Astronauten bis zu einem gewissen Grad an Bord der Internationalen Raumstation tun müssen, und was sie in noch größerem Maße in zukünftigen Siedlungen auf dem Mond oder dem Mars tun müssten.

Aber es geht auch darum, wie wir auf der Erde leben müssen, wenn wir unsere Umwelt schützen wollen, was eines der Themen der diesjährigen Weltraumwoche ist, die vom 4. bis 10. Oktober stattfindet.

Eine Weltraumstation oder eine Mondbasis ist weitgehend ein geschlossenes Kreislaufsystem. Damit ist gemeint, dass sie ihre eigenen Ressourcen produzieren und dann wiederverwerten muss, indem sie sie in das System zurückführt, weil sie begrenzt sind. Wird zu viel verbraucht, können den Astronauten Luft, Nahrung, Wasser oder Energie ausgehen, was tödlich sein kann. Natürlich gibt es gelegentlich Nachschub von der Erde, so dass es sich nicht um einen 100 % geschlossenen Kreislauf handelt. Ein vollständig geschlossener Kreislauf ist jedoch die Erde selbst.

Raumschiff Erde

Denken Sie darüber nach. Unser Planet hat eine bestimmte Tragfähigkeit, oder was der Club of Rome – eine Denkfabrik von Akademikern, Wirtschaftsführern und Politikern – in seinem berühmten Bericht von 1973 die „Grenzen des Wachstums“ nannte. Sie warnten, dass die Erde allmählich an ihre Belastungsgrenze stößt und wir bald zu viel Energie erzeugen, zu viel Nahrung zu uns nehmen, nicht mehr genug Süßwasser produzieren und Treibhausgasemissionen in die Atmosphäre abgeben werden, die unser globales Kreislaufsystem unhaltbar machen würden. Da der Klimawandel von Jahr zu Jahr mehr Schaden anrichtet und zu immer häufigeren Dürren, Hungersnöten, Waldbränden und extremen Wetterlagen führt, könnte man sagen, dass wir dieses Stadium bereits erreicht haben.

Das Leben im Weltraum kann uns dabei helfen zu lernen, wie wir nachhaltig auf der Erde leben können. Die Idee ist nicht neu, aber ein kürzlich in der Zeitschrift Sustainable Earth Reviews veröffentlichter Artikel von Forschern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt fasst kurz und bündig zusammen, wie Technologien, die für das Leben in geschlossenen Kreisläufen im Weltraum entwickelt wurden, auf die Erde übertragen werden können.

Sie beschrieben, wie ein Weltraumhabitat mehrere Funktionen erfüllen muss, um ein Kreislaufsystem zu bleiben, und wie jede dieser Funktionen auf den größeren Maßstab der Erde übertragen werden kann.

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Zuerst müssen Ressourcen angebaut und dem System zugeführt werden. In diesem Fall bedeuten Ressourcen alles, was ein Lebensraum zum Funktionieren braucht, von Nahrung bis Energie. Dieses Konzept muss jedoch sorgfältig verwaltet werden, da es unkontrolliert zur Ausbeutung führen kann. Wenn zum Beispiel zu schnell das gesamte Wassereis aus dem Mondregolithen abgebaut wird, bleibt nichts mehr übrig, um eine Mondbasis lange Zeit zu versorgen.

Zweitens geht es um das Recycling dieser Ressourcen, damit sie nicht zu schnell aufgebraucht werden. In einem Lebensraum mit geschlossenem Kreislauf sind nicht recycelte Abfälle kostspielig und können den Lebensraum im Laufe der Zeit beeinträchtigen, da immer weniger von einer bestimmten Ressource zur Verfügung steht. Außerdem kann er die Umwelt des Lebensraums verschmutzen, was wiederum zu einer Beeinträchtigung des Lebensraums führt.

Drittens: Autarkie. Abgesehen von gelegentlichen Nachschublieferungen von der Erde muss ein Weltraumhabitat in der Lage sein, alles zu produzieren und zu reparieren, was es braucht.

Die Internationale Raumstation ist kein vollständig geschlossener Lebensraum, aber sie wird als Vorreiter für Technologien genutzt, die eines Tages andere Lebensräume im All autark machen könnten. (Bildnachweis: NASA)

Schließlich muss ein Lebensraum mit geschlossenem Kreislauf so widerstandsfähig sein, dass er seine Besatzung und alle anderen Tiere und Pflanzen unbegrenzt ernähren kann. Wenn das System ausfällt, weil es missbraucht wird, wird die Lebensdauer des Habitats stark verkürzt.

Wir können sehen, wie jeder dieser Punkte auf die Erde angewendet werden kann. Intensive Landwirtschaft, Bergbau, Fischerei und so weiter zeigen, wie wir die Ressourcen in unserem geschlossenen Kreislauf der Erde ausbeuten. Recycling kann uns helfen, unsere Ressourcen zu erhalten, ohne die Umwelt mit Abfall zu verschmutzen. Wenn die Gemeinschaften sich selbst versorgen können, lassen sich die Kohlendioxidemissionen verringern, weil die Ressourcen nicht aus externen Regionen in die Gemeinschaften transportiert werden müssen.

Die Erde hat sich seit fast vier Milliarden Jahren als widerstandsfähig erwiesen, aber unser sorgloser Umgang mit der Umwelt durch übermäßigen Verbrauch stellt diese Widerstandsfähigkeit auf die Probe.

Raum auf der Erde

Interessanterweise können Technologien, die für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurden, auch auf der Erde helfen.

Ein klassisches Beispiel sind Sonnenkollektoren. Erfunden im Jahr 1954, in der Ära der Kohlekraftwerke, waren Solarpaneele nicht gerade der letzte Schrei, denn damals gab es auf der Erde noch keine große Verwendung für Photovoltaikzellen. Der Durchbruch gelang den Solarzellen vielmehr im Weltraum, wo sie bereits 1958 mit dem Satelliten Vanguard 1 für die Stromversorgung von Satelliten sorgten. Das Geld, das die Raumfahrtnationen in die Forschung und Entwicklung von Solarzellen stecken konnten, führte dazu, dass diese Zellen in den 1970er Jahren so leistungsfähig waren, dass sie auch auf der Erde eingesetzt werden konnten. Heute sind Solarzellen allgegenwärtig, ein durchschnittliches Panel erzeugt täglich 1,5 Kilowatt Strom, und ab 2023 wird die Solarenergie insgesamt 5,5 % des weltweiten Stroms erzeugen, ohne die schädlichen Emissionen von Kohlekraftwerken oder die giftigen Abfälle von Kernspaltungsreaktoren.

Eine weitere im Weltraum entwickelte Technologie, die zu einer nachhaltigeren Lebensweise auf der Erde beitragen kann, basiert auf Nahrungsmitteln. Auf der Internationalen Raumstation werden von Astronauten Pflanzen angebaut.

Das Experiment, das als Gemüseproduktionssystem bekannt ist, produzierte 2021 erstmals Salat, der von NASA-Astronaut Michael Hopkins geerntet wurde. Bei dem Experiment werden Samen in ein „Saatkissen“ gepflanzt, Dünger und Lehm kontrolliert freigesetzt und spezielle LED-Lampen verwendet, um die Photosynthese zu fördern, indem mehr rotes und blaues Licht ausgestrahlt wird, das das Pflanzenwachstum unterstützt. Diese Lichter werden nun für die „vertikale Landwirtschaft“ auf der Erde angepasst, eine nachhaltige Art des Anbaus von Pflanzen, die in städtischen Gebieten nicht zu viel Land benötigen und ihr Wasser recyceln, genau wie auf der Raumstation. Durch den Anbau von Lebensmitteln in vertikalen Farmen in der Nähe von Siedlungen können die Menschen Transportkosten und intensive Landwirtschaft einsparen, die beide hohe Kohlendioxidemissionen verursachen.

Der Wasserkreislauf

Apropos Wasser: Wasser muss auf der Raumstation unbedingt wiederverwertet werden, denn aufgrund seines Gewichts ist es kostspielig, es von der Erde heraufzubringen. Das gesamte Wasser auf der Internationalen Raumstation wird durch ein Wasserrückgewinnungssystem recycelt, das Teil des Umweltkontroll- und Lebenserhaltungssystems der Station ist und Wasserdampf, den Menschen in die Luft ausatmen, schwitzen und sogar urinieren, in Trinkwasser umwandeln kann (das, wie Astronauten behaupten, ziemlich gut schmeckt!). Die Urinprozessor-Baugruppe nutzt die Vakuumdestillation, um sauberes Wasser aus Astronautenpisse zu extrahieren, wobei eine eklig klingende „Urinsole“ zurückbleibt. Es wurde sogar ein Sole-Prozessor entwickelt, weil in dieser Sole noch brauchbares Wasser enthalten ist – in einem geschlossenen Kreislaufsystem muss jede Ressource so weit wie möglich genutzt werden.

Auch wenn wir auf der Erde kein Wasser aus Urin trinken müssen, gibt es viele Orte auf der Welt, an denen frisches, sauberes Wasser knapp ist. Die Wasserrückgewinnungstechnologie der NASA wurde an Unternehmen lizenziert, um tragbare Filter herzustellen, die es Gemeinden ermöglichen, sauberes Wasser aus verunreinigten Vorräten zu gewinnen.

Europäer Andre Kuipers mit einem Wassertropfen in der Mikrogravitationsumgebung der Internationalen Raumstation. Wasser ist auf der Raumstation eine kostbare Ressource, die aufbewahrt und wiederverwertet werden muss. (Bildnachweis: ESA/NASA)

Kohlenstoffreinigung

Neben dem Wasserdampf atmen die Astronauten auch Kohlendioxid aus.

Die Astronauten der Apollo 13 lernten die Gefahren von Kohlendioxid aus erster Hand kennen, als sie auf dem Rückweg vom Mond eilig einen Kohlendioxidfilter aus Ersatzteilen bauen mussten. Auf der Internationalen Raumstation muss Kohlendioxid auf ähnliche Weise aus der Luft gewaschen werden.

Früher wurde der Sauerstoff auf der ISS durch ein System erzeugt, das ihn aus 400 Litern Wasser gewann, die jedes Jahr von der Erde heraufgebracht wurden. Es handelte sich also nicht um ein geschlossenes Kreislaufsystem. Jetzt hat die Europäische Weltraumorganisation das Advanced Closed Loop System (ACLS) entwickelt, mit dem 50 % des Kohlendioxids auf der Station in Sauerstoff umgewandelt werden können, ohne dass große Mengen an Wasser von der Erde heraufgeholt werden müssen. Die Kohlendioxid-Wiederaufbereitungsanlage des ACLS mischt Wasserstoff und Kohlendioxid aus der Luft, um Wasser und Methan zu erzeugen. Das Methan wird als Abfall in den Weltraum entlassen, aber eine Sauerstofferzeugungsbaugruppe kann das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten, wobei letzterer in das ACLS-System zurückgeführt wird, um den Kreislauf erneut zu beginnen.

Vor dem ACLS wurde Kohlendioxid jedoch ausschließlich mit Hilfe eines Minerals namens Zeolith entfernt, dessen Poren klein genug sind, um Kohlendioxidmoleküle einzuschließen und sie dann in den Weltraum zu spülen. Nun erforschen Stefano Brandani und Giulio Santori von der Universität Edinburgh Möglichkeiten, die Zeolith-Technologie zur Reduzierung des Kohlendioxids in der Erdatmosphäre einzusetzen. Sie stellen sich vor, dass riesige Ventilatoren die mit Kohlendioxid gefüllte Luft in Stationen aus Zeolithbetten saugen, die das Kohlendioxid aus der Luft entfernen. Dieselbe Technologie könnte auch näher an der Quelle eingesetzt werden, um Kohlendioxid aus den von der Industrie produzierten Abgasen zu entfernen, bevor sie in die Atmosphäre abgegeben werden. Auch wenn es nicht möglich ist, das gesamte Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen und die globale Erwärmung zu verhindern, könnte die Technologie zur Abscheidung von Kohlendioxid dazu beitragen, den Klimawandel einzudämmen und das Ziel einer globalen Erwärmung von nicht mehr als 1,5 Grad Celsius zu erreichen.

Angesichts der Kritik, die an Raumfahrtprogrammen weltweit oft geübt wird, dass sie ein teurer Luxus seien und das Geld stattdessen anderswo auf der Erde ausgegeben werden könnte, ist es ironisch, dass die Technologie, die entwickelt wurde, um den Menschen das Leben im Weltraum zu erleichtern, uns helfen könnte, besser auf der Erde zu leben. Natürlich ist die Raumfahrt nicht per se umweltfreundlich – eine Rakete kann pro Start bis zu 300 Tonnen Kohlendioxid ausstoßen -, aber wenn sie richtig eingesetzt wird, kann die im Weltraum eingesetzte Technologie sicherlich das Gleichgewicht wiederherstellen, indem sie uns hilft, ein grünerer Planet zu werden. Schließlich ist die Erde unser unglaublichstes Raumschiff.

Dieser Artikel ist Teil einer speziellen Serie von kosmischeweiten.de zu Ehren der Weltraumwoche 2024, die vom 4. bis 10. Oktober stattfindet. Jeden Tag gibt es einen neuen Beitrag über die Zusammenhänge zwischen Weltraumtechnologie und Klimawandel.