Menschen zum Mond, später zum Mars und wer weiß wohin noch zu schicken, ist alles andere als einfach. Leben und Nachhaltigkeit in solch lebensfeindlichen Umgebungen zu ermöglichen, ist weit mehr als nur eine Herausforderung. Ein Beispiel ist die Versorgung von Weltraumforschern so weit von der Erde entfernt. Nehmen wir den Mars: Eine Versorgungsrakete bräuchte 210 Tage, um ihn zu erreichen – eindeutig keine optimale Lösung. Die Weltraumlandwirtschaft ist Teil dieses Traums, und wir alle erinnern uns an den O’Neill-Zylinder, entworfen vom Princeton-Physiker Gerard K. O’Neill, der 1974 in der Fachzeitschrift „Physic Today“ einen Artikel mit dem Titel „Die Kolonisierung des Weltraums“ veröffentlichte. O’Neills Artikel und Forschung inspirierten zahlreiche Science-Fiction-Filme, die den riesigen, rotierenden Zylinder mit seinen landwirtschaftlichen Nutzflächen und der künstlichen Sonne zeigten (Abbildung 1). So weit sind wir noch nicht, aber basierend auf diesem Konzept könnten die ersten Menschen auf dem Mars eher als Landwirte denn als Astronauten betrachtet werden. Wie also kann die Leistungselektronik dazu beitragen, diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen?
Von Indoor-Farming auf der Erde bis ins Weltall:
Die Ernährung von 10 Milliarden Menschen.
Fangen wir von vorne an. Laut aktuellen Schätzungen wird die Erdbevölkerung bis 2050 voraussichtlich 10 Milliarden erreichen. Gleichzeitig stehen wir vor klimatischen Veränderungen, die das gesamte Ökosystem der Lebensmittelproduktion beeinflussen und eine grundlegende Anpassung unserer Produktions- und Konsumgewohnheiten erfordern könnten.
Unter Berücksichtigung aller Parameter und der Anforderung, Lebensmittel mit größtmöglicher Umweltverträglichkeit zu produzieren, entwickelten Dr. Dickson Despommier und seine Studenten 1999 die Idee der modernen Indoor-Landwirtschaft und belebten damit den Begriff „Vertikale Landwirtschaft“ neu, der 1915 von dem amerikanischen Geologen Gilbert Ellis Bailey geprägt worden war. Wir alle haben davon gehört und viele Artikel über in vertikale Farmen umgewandelte Industriegebäude gelesen. Doch von den Anfängen mit Leuchtstoffröhren oder Halogenlampen bis hin zur Festkörperbeleuchtung (SSL) gab es eine erstaunliche Anzahl technologischer Innovationen, die zur Optimierung der Energieversorgung von Pflanzen für optimales Wachstum beitragen. Dadurch vervielfachen sich die Vorteile der Indoor-Landwirtschaft. Betrachtet man die Flächennutzung, so könnte pro Quadratmeter 100-mal mehr Nahrung produziert werden als in der konventionellen Landwirtschaft. Der Wasserverbrauch würde um 90 % reduziert und der Einsatz gefährlicher Chemikalien vermieden. Indoor-Landwirtschaft ist sehr attraktiv, aber um wirklich effizient zu sein, benötigt sie ein hocheffektives Beleuchtungssystem (Abbildung 02).
Nicht alle Gemüsesorten können mit durch Imprägnierung eingeschränktem Boden und Nährstoffen angebaut werden, aber für diejenigen, die sich für diese Anbaumethode eignen, sind die Ergebnisse beeindruckend und werden noch beeindruckender, wenn moderne computergesteuerte Beleuchtungstechnologien eingesetzt werden, was für Energieplaner ein sehr interessantes Forschungsgebiet darstellt, das fortschrittliche Leistungselektronik und moderne Landwirtschaft mit Blick auf Software kombiniert.
Seit ihrer Einführung haben Ingenieure im Bereich des Indoor-Anbaus Forschung betrieben, um das Lichtspektrum und den Energiebedarf verschiedener Pflanzen für ein effizientes Wachstum zu ermitteln. Von Breitband-Leuchtstoff- und Halogenlampen bis hin zu schmalbandigeren Spektrallampen hat die konventionelle Beleuchtungsindustrie bedeutende Innovationen hervorgebracht, doch diese Technologie ist weder flexibel noch effizient genug, um den aktuellen Bedarf zu decken.
Nach Experimenten, die zwischen 2005 und 2008 in Japan durchgeführt wurden, untersuchten Agrarforscher verschiedene Beleuchtungsmethoden, um das Lichtspektrum und die Energie für spezifische Pflanzen anzupassen. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass das spezifische Lichtspektrum für das Wachstum von Pflanzen und Gemüse typischerweise bei 450 nm (blaues Licht) beginnt und sich bis 730 nm (dunkelrotes Licht) erstreckt (Abbildung 3). Die erforderliche photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD) reicht von 50 Mikromol (µmol) für Pilze bis zu 2.000 Mikromol für Pflanzen wie Tomaten und einige Blumen, die im vollen Sommerlicht gedeihen (Abbildung 4).
Agrarexperten erklären, dass verschiedene Pflanzenarten für optimale Ergebnisse unterschiedliche Lichtspektren sowie unterschiedliche Lichtverhältnisse und -intensitäten zwischen Keimlings- und Erntestadium benötigen. Daher muss künstliche Beleuchtung oft über mehrere verschiedene Spektralkanäle verfügen, deren Intensität individuell angepasst werden kann. Einige Anbauverfahren kombinieren verschiedene Lichtquellen, beispielsweise UV-Blitzlicht zur Schädlingsbekämpfung. Dies erfordert ein Netzteil, das innerhalb eines Bereichs von nahezu null bis maximal von konstanter Spannung auf konstanten Strom umschalten kann (Abbildung 5).
Diese Spezifikation für ein Netzteil ist sehr ähnlich derjenigen, die für die Weltraumlandwirtschaft benötigt wird, mit einer Leistungselektronikarchitektur, die in der Lage ist, den Auswirkungen der Weltraumstrahlung entgegenzuwirken.
Landwirtschaft auf der Erde im Weltraum:
Während die NASA Langzeitmissionen zum Mond und Mars plant, ist die Versorgung der Besatzungen mit Nahrungsmitteln während ihrer wochen-, monate- und sogar jahrelangen Aufenthalte im All ein entscheidender Faktor. Die Nahrungsmittel für die Besatzung der Internationalen Raumstation (ISS) werden hauptsächlich auf der Erde zubereitet und müssen regelmäßig nachgeliefert werden. Zwar kann die ISS per Frachtraumschiff versorgt werden, doch ist die Versorgung auf dem Mars, der durchschnittlich 220 Millionen Kilometer entfernt liegt und mehr als 200 Tage Reisezeit benötigt, deutlich komplizierter und kostspieliger.
Im Jahr 2015 startete die NASA in Zusammenarbeit mit den Fairchild Botanical Gardens in Miami das Projekt „Growing Beyond Earth“, um herauszufinden, welche Pflanzen sich für die autonome Landwirtschaft im Weltraum eignen. Nach einer Reihe von Experimenten und unter Berücksichtigung des gesamten Entwicklungszyklus wurden verschiedene Pflanzen, darunter Salat, Senfsorten und Radieschen, ausgewählt. Diese Pflanzen wurden zunächst in einem kontrollierten Labor auf der Erde und anschließend auf der ISS angebaut, um zu untersuchen, wie sich Mikrogravitation und andere Faktoren auf sie auswirken (Abbildung 6).
Das „Veggie“-Projekt umfasste eine Vielzahl experimenteller Faktoren, darunter „Ertrag, Nährwert und Akzeptanz von erntefertigen Salaten zur Ergänzung des ISS-Lebensmittelsystems (Veg-04A)“. Dazu gehörte die Erforschung optimaler Lichtverhältnisse für den Pflanzenanbau. Auf der ISS wurden für jede Pflanzenart zwei Lichtbehandlungen mit unterschiedlichen Rot-Blau-Verhältnissen getestet, um die Lichtfarben, -intensitäten und besten Anbaumethoden für hohe Erträge an sicherem und nährstoffreichem Blattgemüse und Tomaten zu ermitteln. Diese sollten die Weltraumernährung mit abgepackten Lebensmitteln ergänzen und später für die Landwirtschaft auf dem Mond oder Mars genutzt werden. Mehrere Berichte wurden veröffentlicht, darunter „Großflächige Pflanzenproduktion für Mond und Mars: Aktuelle Lücken und Zukunftsperspektiven“, erschienen im Februar in „Frontiers in Astronomy and Space Sciences“. Dieser Bericht fasst sieben Jahre Experimente auf der Erde und der ISS zusammen (Abbildung 07).
Angesichts der verschiedenen anzubauenden Pflanzenarten, der zu bewältigenden Entfernungen und der Kosten müssen Stromversorgungen für die Weltraumlandwirtschaft unterschiedliche Leistungsprofile aufweisen, die Konstantstrom oder Konstantspannung, Spitzenleistung sowie Energieeffizienz und geringe Größe kombinieren. Hinzu kommen die spezifischen Weltraumbedingungen hinsichtlich Strahlungsbeständigkeit, Betriebstemperatur, Stoß- und Vibrationsfestigkeit.
Die Optimierung von Nutzlast, Gewicht und Größe ist ein wichtiges Anliegen für Weltraumanwendungen, und von Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn bis hin zur Erforschung des Weltraums wurden Stromversorgungen mit hochentwickelten Technologien entwickelt, um sie kleiner und energieeffizienter zu gestalten.
Breitbandhalbleiter in Weltraumanwendungen waren Gegenstand zahlreicher Forschungsprojekte, insbesondere des NASA-Berichts von 2018 mit dem Titel „Strahlung und ihre Auswirkungen auf Komponenten und Systeme“, der auf der RADECS-Konferenz in Göteborg vorgestellt wurde. Dieser Bericht identifizierte die Stärken und Schwächen von Breitbandhalbleitern (WBG) unter Strahlungseinwirkung. Darüber hinaus gab das US-Verteidigungsministerium kürzlich die Einrichtung einer neu finanzierten nationalen Kooperation unter der Leitung der Penn State University bekannt, die darauf abzielt, strahlungsbedingte Schäden an WBG-Halbleitern besser vorherzusagen und zu minimieren. Das Team erhielt einen fünfjährigen Zuschuss in Höhe von 7,5 Millionen US-Dollar aus der „Defense Multidisciplinary University Research Initiative“. Dies unterstreicht die große Bedeutung von WBG in Weltraumanwendungen und ihren Beitrag zur nächsten Phase der Weltraumforschung.
Die Halbleiterindustrie entwickelt sich unterdessen rasant weiter, wie die neue Abteilung und die Produkte für Weltraumanwendungen von Efficient Power Conversion (EPC) belegen. Für Entwickler von Stromversorgungen wird der Zugang zu verstärktem COTS-GaN für Weltraumanwendungen die Entwicklungszeit und -kosten reduzieren (Abbildung 08).
Fazit:
Eine der größten Herausforderungen der Weltraumlandwirtschaft besteht darin, ausreichend Wasser und Nährstoffe zu gewinnen und diese möglichst effizient zu recyceln. Es gibt jedoch viele weitere Hindernisse, die auf der Erde noch nicht überwunden wurden und ebenfalls berücksichtigt werden müssen, wie beispielsweise kosmische Strahlung, das Fehlen einer Atmosphäre und die geringe Lichtintensität. Im Rahmen des Projekts „Growing Beyond Earth“ (2015–2022) wurden bedeutende Fortschritte erzielt, die zu einem besseren Verständnis der Weltraumlandwirtschaft sowie der Leistungselektronik beigetragen haben. Wir befinden uns am Anfang einer neuen Ära, in der Breitband-Halbleiter in der Leistungselektronik eine wichtige Rolle spielen werden.
Es ist eine aufregende Zeit für Energieplaner, nicht wahr?
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Referenzen:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/
Die Kolonisierung des Weltraums – Gerard K. O’Neill, Physics Today, 1974
https://space.nss.org/the-colonization-of-space-gerard-ko-neill-physics-today-1974/
Fairchild Botanical Garden
https://fairchildgarden.org/gbe/
Pflanzenwachstum jenseits der Erde
https://www.nasa.gov/feature/students-help-nasa-researchers-decide-what-plants-to-grow-in-space
NASA / RADEC 2018
Jean-Marie Lauenstein - NASA GSFC, Greenbelt, MD, USA
Breitband-Halbleiter im Weltraum: Die Vorteile erkennen, aber auch die Risiken verstehen
Frontiers of Astronomy and Space Sciences
: Großflächiger Pflanzenanbau für Mond und Mars: Aktuelle Lücken und Zukunftsperspektiven.
Veröffentlicht am 4. Februar 2022 / doi: 10.3389/fspas.2021.733944
Effiziente Energieumwandlung (EPC)
https://epc-co.com/epc
Konferenz über angewandte Leistungselektronik (APEC)
https://apec-conf.org/
AUTOR: PATRICK LE-FEVRE, POWERBOX
