Broeikas in de ruimte: Eten in de ruimte (deel 1)

De komende dagen en zelfs maanden leven, werken en slapen de astronauten aan boord van het ruimteschip, waar de omstandigheden heel anders zijn dan wat mensen normaal gesproken op aarde gewend zijn. Alles moet bijvoorbeeld vast worden gemaakt, omdat het anders weg zweeft door de microzwaartekracht in de ruimte.

Al het voedsel en water dat de astronauten nodig hebben moet naar het ISS worden getransporteerd. Vanaf de aarde wordt materiaal aan boord gebracht dat de bemanning in deze relatief afgesloten ruimte in leven houdt.

Hun maaltijden moeten zorgvuldig worden gepland zodat aan al hun voedingsbehoeften wordt voldaan en ze moeten veel bewegen om aan boord van het ruimtestation gezond te blijven.

Vrachtschepen zoals l’ATV, HTV en Progress brengen voorraden voedsel en water naar het ISS.

De astronauten werken op het ISS en onderhouden het station. Ze voeren een heleboel wetenschappelijke experimenten uit die de mensheid op het gebied van geneeskunde en technologie vooruit helpen. In gewichtloze omstandigheden kunnen experimenten worden uitgevoerd zonder zwaartekracht. Daarna wordt het resultaat vergeleken met wat er op aarde gebeurt.

Voordat we gaan kijken naar een heel speciaal experiment met het kweken van planten aan boord van het ISS gaan we bekijken waarom planten zo belangrijk voor ons zijn.

Deel A: Het belang van planten

Planten zijn meercellige levende wezens. Ze groeien, scheiden afvalstoffen uit, ademen, reproduceren en reageren op externe prikkels.

Ze zijn onze belangrijkste voedselbron en zonder planten zouden er geen mensen of dieren zijn. Kun je bedenken waarom?

Denk maar aan voedselketens en voedselwebben die je hebt bestudeerd.

Waar beginnen alle voedselketens mee? Teken een paar voedselketens en voedselwebben. Maak ze zo ingewikkeld als je zelf wilt. Hierin kun je als het goed is duidelijk zien hoe belangrijk planten zijn. Aan het begin van elke voedselketen staan organismen die hun eigen voedsel kunnen produceren (planten en chemotrofen).

Op aarde hebben we alle ingrediënten die voor leven nodig zijn: lucht, water, licht, voedingsstoffen en warmte. Wij (en alle dieren) krijgen de energie om te leven en te groeien uit het voedsel dat we eten en uit de zuurstof uit de lucht.

We breken complexe moleculen uit ons voedsel (koolhydraten, eiwitten en vetten) af tot eenvoudigere moleculen die ons lichaam kan gebruiken (glucose, aminozuren, vetzuren en glycerol). Die gebruiken we om de moleculen te bouwen waarmee we kunnen leven, bewegen en groeien.

Planten doen dit op een andere manier. Ze gebruiken eenvoudige moleculen, zoals kooldioxide uit de lucht, en water om complexere moleculen zoals glucose te maken. Met nog een paar voedingsstoffen die planten uit vruchtbare aarde halen (zoals stikstof of zwavel) kunnen planten glucose gebruiken om nog complexere moleculen te maken zoals koolhydraten, eiwitten en vetten die ze in speciale structuren of in hun bladeren opslaan.

Het proces waarmee planten glucose uit kooldioxide en water maken heet fotosynthese en het maakt gebruik van energie uit zonlicht. Een bijproduct van fotosynthese is zuurstof.

Planten gebruiken dus water en zonlicht om te groeien en ze produceren zuurstof. Maar dieren eten planten (en andere dieren!), gebruiken zuurstof en ademen kooldioxide uit. In de meeste voedselketens kunnen we planten beschrijven als de 'keuken' van onze planeet.

Maar hoe wordt een zaadje een plant?

De gedroogde zaadjes zwellen op wanneer ze water in zich opnemen (imbibitie). Dat is ook gebeurd met de Arabidopsiszaadjes die in de broeikas zijn geplant.

In de klas kun je dit ook met andere zaadjes proberen: Neem een paar bonen of maïszaadjes. Doe ze in wat water en bekijk wat er gebeurt.

Wanneer dit gebeurt breekt het zaadvlies open en worden de zaadlobben zichtbaar. Die bevatten de voedingsstoffen die in het zaadje zijn opgeslagen. De zaadlobben geven het zaadje genoeg energie om te blijven groeien tot het een plant is. Ze beschermen ook de jonge scheut en de jonge wortel. Wat groeit er als eerste?

De wortel verankert de plant in de aarde en geeft de jonge zaailing water en voedingsstoffen via wortelharen. Het proces waarbij een zaadje een plant wordt, heet ontkieming.

Wanneer de jonge scheut boven de grond komt worden de eerste blaadjes gevormd. Hiermee kan de plant zijn eigen voedsel gaan produceren wanneer hij zijn voedselvoorraden heeft opgebruikt. De plant blijft groeien en gaat uiteindelijk bloemen en zaden produceren.

Deel B: Voedsel in de ruimte

Astronauten wonen aan boord van het ruimtestation. Hier kun je zien en lezen hoe het leven aan boord is. Al het eten wordt vanaf de aarde aan boord gebracht.

Door de relatief korte duur van de missie op het ISS en het vervangen van de bemanning, waardoor verse voorraden kunnen worden bezorgd, is er altijd genoeg eten, water en zuurstof om de astronauten in leven te houden.

Maar voor lange missies om bijvoorbeeld naar Mars te gaan, waarbij de reistijd voor de lange reis heen en terug anderhalf jaar zou kosten, moet een andere strategie worden gebruikt.

Er moeten veel voorbereidingen worden getroffen en tests worden gedaan voordat we mensen op langdurige missies zo ver weg kunnen sturen. Er wordt op dit moment onderzoek uitgevoerd door een team van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en het Russische instituut voor biomedische problemen (IBMP) in Moskou. Dit onderzoek heet Mars500.

Een van de oplossingen zou kunnen zijn dat astronauten vers voedsel produceren en voor een deel zelfvoorzienend worden. Daarvoor moeten speciale broeikassen worden ontwikkeld aan boord van de reizende ruimtevaartuigen, op stations rond de aarde of op het oppervlak van de nieuwe planeten.

Een broeikas kan een onmisbare aanvulling zijn om ruimtevaart duurzaam te maken. De omstandigheden in de ruimte zijn heel anders dan die op aarde, maar er zijn bepaalde elementen waardoor dit proces zou kunnen plaatsvinden. De ingrediënten die planten nodig hebben om te groeien zijn water, voedingsstoffen, lucht (zuurstof en kooldioxide) en licht.

We gaan bekijken hoe een broeikas in de ruimte zou werken. Wat zou het verschil zijn met een broeikas op aarde?

Tijdens de MagISStra-missie is ESA-astronaut Paolo Nespoli begonnen met een minibroeikas. Dit is maar één van de vele experimenten die hij tijdens zijn zes maanden lange missie op het internationale ruimtestation ISS zal uitvoeren. Kijk maar eens naar een stukje van de dag waarop hij met deze activiteit is begonnen (17 februari 2011 om 14.25 Nederlandse tijd). Dit kun je zien op het gele briefje dat aan zijn dagschema vast zit.

Klik hier om te bekijken hoe hij met zijn ruimte-experiment is begonnen.

Planten zorgen voor ons voedsel. Op aarde is het redelijk makkelijk om planten te laten groeien en ze te kweken. Maar nu de mensheid heeft besloten om het gebied buiten de aarde te gaan verkennen, moeten we een manier vinden om buiten de aarde voedsel te kweken. Het is namelijk heel duur om al het voedsel dat een bemanning op een reis naar Mars nodig heeft mee te nemen. Wetenschappers zijn al heel lang bezig om te verzinnen hoe astronauten zelfvoorzienend kunnen worden op lange missies door hun eigen voedsel te verbouwen.

Wat gebeurt er in de omgeving van de ruimte en hoe zouden planten zich in microzwaartekracht gedragen? Welke speciale omstandigheden zijn nodig en waarom? Maak de tabel hieronder af en zet alle manieren tegenover elkaar waarop planten aan hun water komen (hoe geef je planten water op aarde en hoe doet Paolo dat?), waar zuurstof en kooldioxide vandaan komen en waar de lichtenergie vandaan komt die de fotosynthese aandrijft.

De plant die in dit experiment wordt gekweekt heet Arabidopsis thaliana. Het is een bedektzadige (bloeiende plant) en een tweezaadlobbige (twee zaadlobben in het zaadje) en hij hoort tot de mosterdfamilie (Brassicaceae). De algemene naam is zandraket en hij wordt als onkruid beschouwd.

Als hij volgroeid is ziet hij er zo uit:

De plant is klein en heeft een platte bladerkrans waaruit een bloemsteel groeit van ongeveer 15 tot 30 cm lang. Het is een zelfbestuivende plant die in een relatief kleine ruimte groeit. Arabidopsis heeft een korte levenscyclus van ongeveer zes weken van ontkieming tot de zaden volgroeid zijn.

Hij produceert zaden in zaaddoosjes die hauwen heten (een zaadcapsule van twee vruchtbladen). Hij is door plantwetenschappers en genetici uitgebreid bestudeerd.

De zaadjes zijn heel klein en moeten bij het planten voorzichtig worden behandeld. In de ruimtebroeikas waren alle zaden al in de kweekruimte geplaatst. Ze zaten vast in een speciaal in water oplosbaar papier.

Toen Paolo met het experiment begon door met een injectiespuit water toe te voegen, loste het papier op en konden de zaden ontkiemen.

Dit is de eerste foto van Arabidopsis op het moment waarop een van de zaden uit het substraat tevoorschijn komt, na vijf dagen water geven aan boord van het ISS.

Na ongeveer drie weken begon de ruimtebroeikas tekenen van schimmelgroei te vertonen. Aan boord van het ISS is het schoon houden van het binnenklimaat heel erg belangrijk voor de gezondheid van de bemanning. Daarom moest in deze situatie de broeikas uit het ISS worden verwijderd.

Maar op hetzelfde moment waarop het experiment op het ISS werd gestart, begon de bemanning van het Mars500-project ook met het experiment. De bemanning van Mars500 simuleert een mogelijke missie naar Mars - je kunt hier meer over lezen op de site van Mars500.

Je kunt de groei van je plant vergelijken met die van de bemanning van Mars500 en je resultaten aan het eind van het project opsturen naar isseducationteam@esa.int (eind juni 2011).

Een eindconclusie van de resultaten uit alle verschillende landen en van de Mars 500-bemanning wordt in deze les online geanalyseerd en gepubliceerd zodra alle gegevens binnen zijn.