Gärtnern auf dem Mars: Die rote Erde bändigen

Auf der Erde nennen wir den Boden „Erde“, weil er vor Leben nur so strotzt. Er ist eine komplexe Mischung aus Mineralien, Luft, Wasser und verrottenden organischen Stoffen wie Blättern und Insekten. Der Mars hingegen besitzt technisch gesehen gar keine Erde. Stattdessen ist seine Oberfläche von Regolith bedeckt – einer trockenen, sterilen Schicht aus losem Gestein und Staub, die noch nie einen Wurm oder eine Wurzel gesehen hat.

Mars-Regolith besteht primär aus verwittertem Basalt, einem vulkanischen Gestein. Obwohl er wie Dreck aussieht, fehlt ihm der „Humus“, also das organische Material, das irdischen Pflanzen Struktur und Stickstoff verleiht. Ohne diese Komponenten ist der Regolith im Grunde nur zermalmtes Gestein, das über Millionen von Jahren durch Meteoriteneinschläge und Winderosion pulverisiert wurde.

Für angehende Weltraum-Farmer liegt die erste Hürde nicht nur darin, Wasser auf den Mars zu bringen. Es geht darum, diesen toten Regolith in lebendige Erde zu verwandeln. Wissenschaftler untersuchen derzeit, wie man Mikroben von der Erde einführen kann, um den langwierigen Prozess der biologischen Aktivierung zu starten.

Im Jahr 2008 entdeckte der NASA-Lander Phoenix einen chemischen „Bösewicht“ im Marsstaub: Perchlorate. Dabei handelt es sich um Salze aus Chlor und Sauerstoff, die in Konzentrationen von etwa 0,5 % bis 1 % auf dem gesamten Planeten vorkommen. Auf der Erde nutzt man Perchlorate oft für Raketentreibstoff, aber auf dem Mars sind sie ein massives Hindernis.

Für Menschen sind Perchlorate gefährlich, da sie die Fähigkeit der Schilddrüse stören, Jod aufzunehmen. Für Pflanzen können hohe Konzentrationen dieser Salze „phytotoxisch“ wirken, was bedeutet, dass sie das Wachstum hemmen oder die Pflanze abtöten. Selbst wenn eine Pflanze überlebt, könnte sie die Gifte speichern, wodurch die Ernte für Menschen ungenießbar wird.

Jede Mars-Farm wird einen Weg finden müssen, den Regolith zu „reinigen“. Mögliche Lösungen sind das Waschen des Bodens mit Wasser – wobei Wasser extrem knapp ist – oder der Einsatz spezieller Bakterien. Diese Mikroben könnten Perchlorate buchstäblich „fressen“ und sie in harmloses Chlorid und Sauerstoff umwandeln.

Die ikonische rote Farbe des Mars stammt von Eisenoxiden, im Grunde genommen also Rost. Die Marsoberfläche ist reich an Eisen, das über Milliarden von Jahren oxidiert ist. Während Eisen für Pflanzen auf der Erde ein notwendiger Mikronährstoff ist, stellt die schiere Menge auf dem Mars eine einzigartige Herausforderung dar.

In einigen Gebieten kommt das Eisen in Mineralien wie Magnetit und Hämatit vor. Pflanzen benötigen zwar Eisen zur Chlorophyllbildung, doch zu viel Eisen in bioverfügbarer Form kann zu einer „Eisentoxizität“ führen, die Pflanzenzellen schädigt. Paradoxerweise ist das meiste Eisen auf dem Mars in Mineralien gebunden, die für Pflanzen gar nicht leicht aufnehmbar sind.

Zukünftige Farmer müssen den Eisengehalt präzise steuern. Ist der Boden zu sauer, wird das Eisen löslicher und potenziell giftig; ist er zu alkalisch, kann die Pflanze eventuell gar kein Eisen aufnehmen. Es ist ein empfindliches chemisches Gleichgewicht, das über den Erfolg der Ernte entscheidet.

Auf der Erde bevorzugen die meisten Nutzpflanzen einen leicht sauren bis neutralen pH-Wert zwischen 6,0 und 7,0. Daten von Mars-Missionen deuten jedoch darauf hin, dass Mars-Regolith generell alkalisch ist, mit einem gemessenen pH-Wert zwischen etwa 7,7 und 8,3.

Diese Alkalität liegt vor allem an Karbonaten und anderen basischen Mineralien. Für Farmer ist ein hoher pH-Wert ein Problem, da er essenzielle Nährstoffe wie Phosphor, Eisen und Bor „blockiert“. Selbst wenn diese Nährstoffe physisch im Boden vorhanden sind, können die Pflanzen sie unter diesen basischen Bedingungen nicht über ihre Wurzeln aufnehmen.

Um auf dem Mars gesundes Gemüse zu züchten, müssten wir den Regolith wahrscheinlich künstlich „ansäuern“. Auf der Erde nutzen wir dafür oft Schwefel oder organischen Kompost. Auf dem Mars müssen wir kreativ werden, vielleicht mit chemischen Zusätzen oder spezialisierten Mikroben, um den idealen Bereich für unsere Samen zu schaffen.

Stickstoff ist der „Motor“ des Pflanzenwachstums und wird für den Aufbau von Proteinen benötigt. Obwohl der Mars Stickstoff in seiner dünnen Atmosphäre hat, fehlt ihm der bioverfügbare Stickstoff (Nitrate), den wir in fruchtbarem Erdboden finden. Auf der Erde fixieren Bakterien den Stickstoff aus der Luft, aber der Mars hat keinen solchen natürlichen Kreislauf.

Curiosity hat zwar einige Nitrate im Regolith nachgewiesen, aber die Konzentrationen sind extrem niedrig. Um eine Farm zu betreiben, müssten Astronauten einen Stickstoffkreislauf von Grund auf neu erschaffen. Dies könnte bedeuten, stickstofffixierende Bakterien von der Erde mitzubringen oder chemische Prozesse zu nutzen, um atmosphärischen Stickstoff in Dünger umzuwandeln.

Ohne eine stetige Stickstoffzufuhr wären Pflanzen auf dem Mars verkümmert, gelb und unfähig, Früchte zu produzieren. Jedes Gramm Stickstoff wäre in einer Marskolonie eine kostbare Ressource, die ständig recycelt werden müsste und niemals verschwendet werden dürfte.

Bodenqualität ist auch eine Frage der physikalischen Struktur. Mars-Regolith ist extrem fein, oft wie Mehl. Da ihm organische Fasern wie Wurzeln oder verrottende Blätter fehlen, kann er bei Nässe extrem verdichten. Das führt dazu, dass die Wurzeln der Pflanzen „ersticken“, weil die Sauerstoffzufuhr unterbrochen wird.

Zudem kann verdunstendes Wasser in der Marsumgebung mit ihrem niedrigen Druck eine „Salzkruste“ hinterlassen. Experimente zeigen, dass sich diese Salze schnell ansammeln und eine harte Barriere bilden. Diese verhindert, dass neue Samen keimen oder Wasser überhaupt erst in den Boden einsickern kann.

Um die Textur zu verbessern, könnten Farmer Hydrogele zur Wasserspeicherung einsetzen oder „Pflanzenkohle“ (Biochar) beimischen, um Luftporen zu schaffen. Die Verbesserung der physikalischen Beschaffenheit ist mindestens genauso wichtig wie die Beseitigung der chemischen Giftstoffe.

Wie lösen wir all diese Probleme? Neuere Forschungen schlagen eine „Pionierstrategie“ vor. Anstatt sofort Tomaten anzubauen, könnten wir zuerst Alfalfa (Luzerne) pflanzen. Alfalfa ist extrem widerstandsfähig und kann in nährstoffarmem Boden wachsen, der dem Mars-Regolith sehr ähnlich ist.

Sobald das Alfalfa wächst, kann es untergegraben werden, um als „Gründünger“ zu fungieren. So liefert es das erste organische Material für den Marsboden. Dies verbessert die Bodenstruktur massiv. Zusätzlich untersuchen Forscher den Einsatz spezifischer Bakterien, um die Perchlorate im Boden zu neutralisieren.

Landwirtschaft auf dem Mars wird ein ecosystem-building Projekt sein. Indem wir mit zähen, bodenbildenden Pflanzen und hilfreichen Mikroben beginnen, können wir den giftigen Roten Planeten langsam in einen grünen Lebensraum verwandeln.