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Mikrofluidik

Tomatenwachstum im Weltall überwachen

| Redakteur: Marc Platthaus

Ein mikrofluidischer Chip (Ausschnitt) von Fraunhofer überwacht ab 2017 das Wachstum von Tomatenpflanzen während einer Forschungsmission im Weltraum.
Ein mikrofluidischer Chip (Ausschnitt) von Fraunhofer überwacht ab 2017 das Wachstum von Tomatenpflanzen während einer Forschungsmission im Weltraum. (Bild: Fraunhofer ICT-IMM)

Anfang 2017 startet der Forschungssatellit Eu:Cropis des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in den Orbit. Er soll ein biologisches Lebenserhaltungssystem für den Menschen testen, das aus biologischen Abfallprodukten Sauerstoff und Nahrungsmittel produziert. Mit an Bord ist ein Ionenanalysegerät, entwickelt am Fraunhofer ICT-IMM in Mainz.

Menschen in Raumschiffen brauchen zum Überleben genau wie auf der Erde regelmäßige und frische Nahrung. Für kurze Weltraumtrips nehmen die Astronauten einfach Proviant mit. Schwieriger wird es aber, wenn die Besatzungen monate- oder jahrelang im All unterwegs sind. Gefragt sind technische Lösungen, die lebenswichtige Ressourcen möglichst lange am Leben halten. Im Projekt Eu:Cropis entwickeln drei Partner unter der Führung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt(DLR) ein Lebenserhaltungssystem, das aus biologischen Abfallprodukten Sauerstoff und Nahrungsmittel produziert. Es soll 2017 während einer einjährigen Weltraummission getestet werden.

Beteiligt sind neben dem DLR die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Institutsteil IMM, in Mainz.

Kontinuierliche Kapillarelektrophorese im All

In einem automatisierten Kreislaufsystem zersetzen Bakterien und Algen ein Gemisch aus künstlichem Urin und Wasser zu Dünger für Tomatenpflanzen. Dabei wird der vom DLR entwickelte, gebaute und betriebene Satellit in unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren, um so die Schwerkraft von Mond und Mars zu simulieren. Damit die Tomatenpflanzen während der Weltraummission genau die richtige Nährstoffmenge zum optimalen Gedeihen erhalten, muss das Kreislaufsystem kontinuierlich überwacht werden.

Die Forscher nutzen die Kapillarelektrophorese um zu überprüfen, wie hoch die Konzentrationen der im Düngemittel enthaltenden Stoffe sind. So ist es beispielsweise entscheidend, dass die Düngemittelzufuhr an die einzelnen Wachstumsphasen der Tomatenpflanze angepasst ist. „Die Realisierung dieses autonomen Kreislaufs, der das Überleben der Tomaten sicherstellt, ist Dreh- und Angelpunkt dieses Unterfangens“, betont Dr. Karin Potje-Kamloth, die das Projekt am ICT-IMM betreut.

System an die besonderen Anforderungen im Weltraum angepasst

Die Kapillarelektrophorese gehört auf der Erde zur Standardmethodik chemischer Analysen. Bei unbemannten Weltraummissionen gelten jedoch zusätzliche Anforderungen: Vorgänge müssen automatisiert ablaufen und Geräte dürfen kaum Platz benötigen. „Wir stellen den Prototyp eines Ionenanalysegeräts vor, der auf 20 x 20 x 1 cm Platz findet, nur 2,4 kg wiegen darf und über eine vollautomatisierte Probenentnahme sowie Kapillarelektrophorese verfügt“, so Potje-Kamloth. Der besondere Clou dabei: Der scheckkartengroße Chip, auf dem die gesamte Analyse abläuft, wird regelmäßig gespült und kann so während der gesamten Mission eingesetzt werden. Die Technologie kann auch unabhängig vom Experiment im All nutzbringend eingesetzt werden. „Mit einem kompakten Ionenanalysegerät mit automatisierter Probennahme kann man z.B. auch die Qualität von Trinkwasser überwachen oder Prozesse steuern“, sagt Potje-Kamloth.

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