Untersuche die Wachstumsfaktoren für Pflanzen und entwickle eine Strategie zum Pflanzenanbau auf dem Mond.

Wenn es um Weltraumerkundung geht, denkt man nicht unbedingt an Gärtnerei und Landwirtschaft. Diese sind allerdings seit jahrtausenden ein fester Bestandteil menschlischer Zivilation und werden somit auch früh zu einem wesentlichen Forschungsgegenstand, um die Erkundung des Weltraums zu ermöglichen. Zur Zeit wird die Internationale Raumstation (ISS), der einzige menschliche Stützpunkt im Weltraum, mit Luft, Essen und Wasser von der Erde versorgt. Jede Austronautin und jeder Austronaut benötigt etwa 1 kg Sauerstoff, 1 kg dehydrierte Nahrung und 3 Liter Wasser pro Tag. Dies für die gesamte Besatzung von der Erde aus zur Verfügung zu stellen ist teuer und für lange Weltraummissionen unpraktisch. Wenn die Menschheit den Weltraum weiter erkunden möchste, müssen wir lernen, Pflanzen unterwegs anzubauen – als Nahrungsquelle und für weitere Zwecke.
 

Im Weltraum Pflanzen anbauen

Im Weltraum ist es schwer notwendige Wachstumsbedingungen für Pflanzen wie Wasser, Licht, Nährstoffe und eine passende Temperatur herzustellen. Deshalb ist Pflanzenanbau im Weltraum eine schwierige – aber keine unmögliche – Aufgabe. 2015 hatten Besatzungsmitglieder der ISS Expedition 44 zum ersten mal die Möglichkeit im Weltraum angebaute Nahrung zu kosten. Es handelte sich um roten Römersalat, der im Rahmen von NASAs Veg-01 Pflanzenexperiment angebaut worden war. Seither suchen Forscherinnen und Forscher nach immer neuen Wegen um im Weltraum Pflanzen anzubauen.

Bei der Wahl der Pflanzenart werden unterschiedliche Faktoren einbezogen – zum Beispiel Nährwert und Ertrag. Zwei Hauptkandidaten sind Kartoffeln und Zwergweizen. Beide enthalten viele Kohlenhydrate mit hohem Nährwert und können der Weltraumbesatzung somit genug Energie liefern, um auch lange Missionen zu überstehen. Außerdem sind sie robust, passen sich an fast alle Bedingungen auf der Erde an, erzeugen einen hohen Ertrag und benötigen zum Wachsen nicht allzu viel Platz.

Ein selbstversorgendes System

Pflanzen im Weltraum sind nicht nur als Nahrungsquelle nützlich: Die Weltraumforschung hofft Pflanzen ferner zur Erschaffung eines selbstversorgenden Systems zu nutzen, das Astronautinnen und Astronauten Sauerstoff, Wasser und Nahrung liefert, ohne dabei auf die Erde angewiesen zu sein. Seit über 25 Jahren arbeitetet die Europäische Weltraumorganisation (ESA) an einem Projekt namens Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA). Dieses Projekt versucht ein Lebenserhaltungssystem zu entwickeln, das man in den Weltraum schicken kann. Menschliche Ausscheidungen (wie Urin und ausgeatmetes Kohlenstoffdioxid) sollen Pflanzen hierbei die notwendigen Wachstumsbedingungen liefern, und im Gegenzug Sauerstoff und Nahrung für Menschen produzieren sowie das Wasser filtern. Dieses Forschungsgebiet kann auch helfen, Methoden für eine nachhaltigere Lebensmittelproduktion auf der Erde zu entwickeln.

Wachstumsbedingungen für Pflanzen

In den folgenden Aktivitäten lernen Schülerinnen und Schüler die Grundelemente, die Pflanzen zum Wachstum benötigen, kennen. Nach Aktivität 1 bis 3 haben sie im Zuge der Aktivität 4 die Möglichkeit ihr neues Wissen zum Pflanzenwachstum anzuwenden und zu erkunden, wie man im Weltraum etwas anbauen könnte – eine praktische Herausforderung mit hohem Stellenwert in der aktuellen Forschung.

Alle Aktivitäten lassen sich mit einfachen Haushaltsmaterialien durchführen und sind geeignet für Schülerinnen und Schüler zwischen 8 und 12 Jahren. Zur Durchführung braucht man einige kleine Töpfe oder Behälter: Wir haben hierfür alte Plastikflaschen verwendet. Wenn man das untere Drittel  abschneidet, kann dieses als Topf genutzt werden.

Aktivität 1: Brauchen Pflanzen Licht?

In 2er- bis 4er-Gruppen untersuchen die Schülerinnen und Schüler wie Kresse unter verschiedenen Lichtbedingungen wächst: In durchgängige Dunkelheit und bei normalem Tag-Nacht-Zyklus. Der praktische Teil dieser Aktivität dauert etwa 30 Minuten, danach muss man der Kresse etwa eine Woche Zeit zum wachsen geben.

Materials

Jede Gruppe braucht:

• Kressesamen
• Zwei identische Töpfe oder Behälter
• Pflanzenerde
• Kleine Pflanzkelle oder Löffel
• Messbecher
• Pappkarton oder dunklen Schrank
• Klebezettel
• Folienstift

Vorgehen

Instruieren Sie die Gruppen wie folgt:

1. Füllt die beiden Töpfe mit Hilfe der Pflanzkelle oder des Löffels mit Pflanzenerde und lasst dabei etwa 1 cm nach oben frei.
2. Markiert mit Klebezettel und Folienstift die beiden Töpfe als Nummer 1 und Nummer 2. Schreibt auch eure Namen auf die Töpfe, sodass ihr sie später von den anderen uterscheiden könnt.
3. Streut 10-20 Kressesamen in jeden Topf und stellt dabei sicher, dass etwa gleich viele Samen in beiden Töpfen sind.
4. Bedeckt die Kressesamen mit etwas zusätzlicher Erde.
5. Füllt den Messbehälter mit Wasser und gebt etwa gleich viel Wasser in jeden Topf. Die Pflanzenerde sollte feucht sein.  
6. Stellt Topf Nummer 1 in einen Pappkarton oder in einen dunklen Schrank und Topf Nummer 2 in die Nähe eines Fensters, wo er Sonnenlich abbekommt.
7. Was, glaubt ihr, wird passieren und warum? Was passiert, wenn eine Pflanze kein Sonnenlicht bekommt? Schreibt oder malt eure Erwartungen in ein Arbeitsbuch.
8. Lasst die Kresse etwa eine Woche stehen. Sie sollte in diesem Zeitraum kein weiteres Wasser benötigen. Danach können alle ihre Töpfe anschauen. Welche Unterschiede sind zwischen den beiden Töpfen zu erkennen?

Diskussion

Die Schülerinnen und Schüler werden beobachten, dass die Kresse, die in Dunkelheit gewachsen ist weiße Stengel und gelbe Blätter hat, während die Kresse, die einem normalen Tag-Nach-Zyklus ausgesetzt war, hellgrüne Stengel und sattgrüne Blätter hat. Der Grund dafür ist, dass Pflanzen ohne Licht kein Chlorophyll ausbilden. Chlorophyll ist der Farbstoff, der den Pflanzen seine gesunde grüne Farbe gibt. Die Kresse, die in Dunkelheit gewachsen ist, sollte außerdem merklich größer sein, da sie die Energie in ihren Samen verwendet hat, um auf der Suche nach Licht ihr Wachstum zu beschleunigen.

Vergleichen Sie die Erwartungen Ihrer Schülerinnen und Schüler mit den Ergebnissen und diskutieren Sie die folgenden Fragen:

• Welche Pflanze ist gesünder und warum?
• Wie wichtig ist Licht für das gesunde Wachstum einer Pflanze?
• Brauchen Pflanzen Licht um zu keimen?
• Brauchen Pflanzen Licht um nach der Keimung zu wachsen?

Aktivität 2: Brauchen Pflanzen Erde?

Die ganze Klasse pflanzt gemeinsam Radieschensamen in verschiedene Materialien, um herauszufinden, welche für den Pflanzenanbau am besten sind. Der praktische Teil dieser Aktivität dauert etwa 30 Minuten, dann muss wieder etwa eine Woche gewartet werden.

Materialien

• 16 Radieschensamen
• Acht durchsichtige Töpfe oder Behälter
• Kleine Pflanzkelle oder Löffel
• Messbecher
• Flüssige Pflanzennahrung
• Frischhaltefolie
• Klebezettel
• Folienstift

Mit den folgenden Materialien werden jeweils zwei Töpfe gefüllt:

• Pflanzenerde
• Sand
• Watte
• Papiertücher

Vorgehen

Bitten Sie einzelne Schülerinnen oder Schüler die verschiedenen Schritte auszuführen:

1. Markiere mit Klebezettel und Folienstift die Töpfe 1 bis 8.
2. Fülle Topf 1 und 2 mit Hilfe der Pflanzkelle oder des Löffels mit Pflanzenerde.
3. Fülle Topf 3 und 4 mit Sand.
4. Fülle Topf 5 und 6 mit Watte.
5. Knülle die Papiertücher in kleine Bällchen und fülle damit Topf 7 und 8.
6. Fülle den Messbecher mit Wasser. Gebe etwa gleich viel Wasser in Topf 1, 3, 5 und 7. Das Material im Topf sollte feucht sein.
7. Fülle den Messbecher noch einmal mit Wasser und gebe flüssige Pflanzennahrung hinzu. Gebe diese Lösung in Topf 2, 4, 6 und 8. Stelle sicher, dass jeder Topf wieder in etwa so viel Flüssigkeit enhält wie im vorhergehenden Schritt.
8. Streue in jeden Topf zwei Radieschensamen und decke den Topf im Frischhaltefolie ab.
9. Stelle alle Töpfe in Fensternähe. Alle sollten möglichst gleichen Lichtbedingungen ausgesetzt sein.
10. Was, glaubt ihr, wird passieren und warum? Werden die Pflanzen in allen vier Materialien wachsen? In welchem Topf werden die Pflanzen am besten wachsen? Wie könnte die flüssige Pflanzennahrung das Wachstum beeinflussen? Schreibt oder malt eure Erwartungen in ein Arbeitsbuch.
11. Lasst die Pflanzen für eine Woche wachsen. Danach werden alle Töpfe angeschaut. Wie hat sich jede Pflanze entwickelt?

Diskussion

Die Schülerinnen und Schüler sind vielleicht überrascht, dass die Samen in allen acht Töpfen aufgingen. Der Grund dafür ist, dass Samen schon einige Nährstoffe enthalten, die es den Pflanzen erlauben, zu wachsen. Wenn das Material Nährstoffe enthält wird die Pflanze weiter wachsen. In Pflanzenerde kommen Nährstoffe natürlich vor. In allen anderen Materialien (wie Sand, Watte und Papier) können sie zum Beispiel in Form von Flüssignahrung hinzufügt werden. Ohne hinzugefügte Nährstoffe wächst die Pflanze langsamer und hört, wenn der Vorat im Samen aufgebraucht ist, ganz auf zu wachsen. Deshalb wachsen die Radieschensamen in den Töpfen mit Sand, Wolle und Papier ohne Flüssignahrung nicht so gut.

Die Radieschensamen wachsen in Watte mit Flüssignahrung normalerweise am Besten. Watte nimmt Flüssigkeit besser auf als Pflanzenerde und alle anderen Materialien. Und die Flüssignahrung gibt der Pflanze alle notwendige Nährstoffe für ihre anfängliche Entwicklung. Wenn die Pflanze weiter wachsen soll, bereitet Pflanzenerde den Wurzeln die beste Basis, um sich auszubreiten und den Sprossen so Stabilität zu geben.

Vergleichen Sie die Erwartungen Ihrer Schülerinnen und Schüler mit den Ergebnissen und diskutieren Sie die folgenden Fragen:

• Was sind die Vor- und Nachteile Pflanzen ohne Pflanzenerde anzubauen?
• In welchem Topf sind die Pflanzen am Besten gewachsen und warum?
• Brauchen Pflanzen Erde um zu keimen?
• Brauchen Pflanzen Erde um zu wachsen?

Aktivität 3: Wie transportieren Pflanzen Wasser?

Um zu untersuchen wie Pflanzen Wasser transportieren, beobachten die Schülerinnen und Schüler wie sich die Farbe der Blütenblätter verändert, wenn wir Farbstoff zum Pflanzenwasser geben. Die Aktivität kann in 2er- bis 4er-Gruppen oder als Demostration für die ganze Klasse durchgeführt werden. Der praktische Teil dieser Aktivität dauert etwa 15 Minuten, nach einem Tag sind die Ergebnisse sichtbar.  

Materialien

Jede Gruppe braucht:

• Zwei weiße Blumen ohne Wurzeln (am Stengel geschnitten)
• Eine weiße Blume mit intakter Wurzel
• Drei durchsichtige Töpfe oder Behälter
• Rote oder blaue Lebensmittelfarbe
• Löffel

Vorgehen

Instruieren Sie die Gruppen wie folgt:

1. Füllt drei Töpfe mit Wasser
2. Gebt Lebensmittelfarbe in zwei der drei Töpfe und rührt die Lösung mit dem Löffel um
3. Stellt eine der beiden Pflanzen ohne Wurzeln in einen Topf mit Lebensmittelfarbe und die andere in einen ohne. Stellt die Pflanze mit Wurzeln in den verbleibenden Topf mit Lebensmittelfarbe.
4. Was, glaubt ihr, wird passieren und warum? Werden beide Pflanzen im gefärbten Wasser ihre Farbe ändern? Schreibt oder malt eure Erwartungen in ein Arbeitsbuch.
5. Lasst die Planzen einen Tag stehen und schaut sie euch dann an. Was ist mit den einzelnen Blumen passiert?

Diskussion

Die Schülerinnen und Schüler werden beobachten, dass die Pflanze ohne Wurzel ihre Farbe aufgrund des Farbstoffs ändert, besonders am Rande der Blüten. Der Grund hierfür ist, dass Pflanzen Wasser über ihre Stengel verteilen. Die Pflanze mit Wurzeln ändert nicht ihre Farbe. Die Wurzeln agieren als Filter und verhindern, dass der Farbstoff zum Rest der Pflanze transport wird. Daher das Ausbleiben der Farbänderung.

Vergleichen Sie die Erwartungen Ihrer Schülerinnen und Schüler mit den Ergebnissen und diskutieren Sie die folgenden Fragen:

• Warum hat die Pflanze mit intakten Wurzeln nicht ihre Farbe geändert?
• Warum haben wir eine Pflanze in einen Topf mit nur Wasser gestellt?
• Brauchen Pflanzen notwendigerweise Wasser?

Aktivität 4: Was brauchen Pflanzen um im Weltraum zu wachsen?

In 3er- oder 4er-Gruppen wenden die Schülerinnen und Schüler das Wissen der vorhergehenden Aktivitäten an, um eine Strategie zum Pflanzenanbau auf dem Mond zu entwickeln. Sie bekommen hierfür einen Faktenzettel zum Mond, sodass sie die Bedingungen dieser speziellen Weltraumumgebung in Betracht ziehen können.

Materialien

Jede Gruppe braucht:

• Faktenzettel zum Mond^w1

Vorgehen

Instruieren Sie die Gruppen wie folgt:

1. Lest den Faktenzettel, um über Mondbedingungen, wie Tag-Nacht-Zyklus und Temperaturen zu lernen.
2. Bedenkt die Wachstumsfaktoren für Pflanzen. Wie werden Pflanzen auf dem Mond an Licht, Wasser und Nährstoffe kommen?
3. Entwickelt eine Strategie, um auf dem Mond Pflanzen anzubauen, zum Beispiel mit Hilfe eines Gewächshauses. Könnt ihr ein selbstversorgendes System entwickeln? Welche Arten von Pflanzen würden am Besten wachsen und warum?
4. Wählt eine Person aus eurer Gruppe, die dem Rest der Klasse eure Strategie erklärt.

Diskussion

Eine der ersten Herausforderungen, um auf dem Mond Pflanzen anzubauen, ist das Fehlen von Wasser und Nährstoffen. Auf dem Mond steht Wasser nicht so wie auf der Erde in Form von Flüssen und Meeren zur Verfügung. Außerdem enthält der Mondboden nicht die Nährstoffe, die Pflanzen zum Wachstum brauchen. Die Schülerinnen und Schüler könnten zum Beispiel ein erdloses System vorschlagen um diese Herausforderung zu überwinden: Die Pflanzen könnten in in einer wasserbasierten, nährstoffreichen Lösung wachsen, die ohne Pflanzenerde auskommt. Wasser könnte zum Beispiel aus dem Oberflächeneis an den Mondpolen gewonnen werden. Unter bestimmten Bedingungen könnte dieses zu flüssigem Wasser verarbeitet werden.

Eine weitere Herausforderung ist der Tag-Nacht-Zyklus des Mondes. Ein Mondtag dauert ungefähr so lange wie 4 Wochen auf der Erde. Also müssten sich Pflanzen an zwei Wochen Tageslicht gefolgt von zwei Wochen Dunkelheit gewöhnen. Ansonsten muss eine lichtkontrollierten Umgebung entwickelt werden. Auch die Temperatur dieser Umgebung müsste kontrolliert sein, um den extremen Temperaturschwankungen auf dem Mond zu begegnen. Außerdem hat der Mond so gut wie keine Atmosphäre, also müssten die Pflanzen in einem gasgefüllten Druckbehälter wachsen. Ohne den natürlichen Schutz einer Atmosphäre würde dieser Behälter die Pflanzen auch vor Strahlung aus dem Weltraum schützen.

Um nachhaltig zu sein, müsste der Behälter ein System zur Wiederverwertung von Gasen und Wasser haben.

Danksagungen

Die Autoren bedanken sich bei Monica Talevi, Christina Toldbo und allen Kolleginnen und Kollegen des ESA Bildungszentrums, die an der Entwicklung dieser Aktivitäten beteiligt waren. Ihr Dank geht auch an die ESA Forscherin Christel Paille, die diese Bildungsaktivitäten durchgeschaut hat und wertvolle Ratschläge gab.

Web References

• w1 – Die Faktenkarte zum Mond kann im Abschnitt Zusatzmaterial heruntergeladen werden.

Resources

• Weiterführende Materialien zu Pflanzen in Weltraum gibt es auf der ESA Webseite:
  • Astrogärtnerei untersucht die Wachstumsfaktoren für Pflanzen.
  • Astronahrung schaut sich verschiedene Pflanzenkomponenten und mögliche zukünftige Weltraumsnahrungsmittel an.
  • Astroernte geht auf den kompletten Wachstumzyklus unterschiedlicher Pflanzenarten ein, um zu verstehen, wie Keimung und Pflanzenwachstum funktionieren.

Institutions

Author(s)

Keith Hardie unterrichtet Physik und Mathematik für die Sekundarstufe in Edinburgh, Schottland und hat zuvor am ESA Bildungszentrum gearbeitet. Cátia Cardoso ist MINT Bildungsexpertin beim ESA Bildungszentrum, das Lehrmaterial mit Bezug zur Weltraumforschung entwickelt. Es befindet sich im Europäischen Weltraumsforschungs- und Technologiezentrum (ESTEC) in Noordwijk, Niederlande.

Review

Dieser aufschlussreiche Artikel kombiniert zwei Forschungsbereiche zu einem interessanten Projekt für jüngere Schülerinnen und Schüler. Durch eine Reihe von Aktivitäten verstehen die Schülerinnen und Schüler die Wachstumsfaktoren für Pflanzen und beziehen diese auf die Fragestellung, wie man im Weltraum Pflanzen anbauen kann. Alle Aktivitäten sind einfach durchführbar und können auch als Basis zum Verständniss von Kontrollvariablen und Experimentaufbau dienen. Dieser Artikel ist sehr nützlich und kann sowohl in höheren Grundschulklassen als auch zu Beginn der Sekundarstufe I verwendet werden.

Dr. Christiane Nicolaou, Grundschullehrerin, Makedonitissa 3rd primary school, Zypern

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CC-BY