Üvegházak az űrben Elszakadva a gravitációtól

2020. február 17. · Üvegházak az űrben - ezt akarják az űrutazások. Az azonban rejtély, hogy a növények hogyan kezelik a gravitációt, és vajon boldogulnak-e anélkül hosszú távon. Ennek kutatása céljából a tudósok parabolikus repüléseken kísérleteznek. 22 másodpercig és 31 alkalommal dolgozik felfüggesztve, de a gravitációs húzás majdnem kétszeresét is tapasztalja.

Z kezdettől fogva csak a megfordulás kérdése volt. Technikai probléma, semmi komoly. Alattunk az Atlanti-óceán, Brittany előtt jobbra, most a járat visszament Bordeaux-ba. Hosszú arcok mindenütt, Dario Ricciardi pedig egy bőrönd méretű doboz előtt térdelve minden mosolyát elvesztette. Már nem volt nyoma annak a lelkesedésének, hogy maga kísérte el a kísérletet, amelynek hónapokon át segített felkészülni a frankfurti Goethe Egyetem „Zero Gravity Lab” -jában.

A tudomány motorjai: bal oldalon egy nő sziluettje látható, a másik oldalon egy férfi. sks
Marjorie Guichard (Heidelberg) és Maik Böhmer (Frankfurt) az IMPACT-Boxon dolgoznak, amelyben az Arabidopsis fiatal növények különböző gravitációs erőket tapasztalnak meg egy parabolában, majd rögzítik őket. Az orvosok (világoskék és narancssárga színben) mindig a fedélzeten vannak. Novespace
Kifinomult rendszer kényes növények számára: A teszt során a metanol csupán egyetlen parabola után vet véget nekik. Fotó: Frankfurti Zero G.-Lab Egyetem

Kora reggel a hallgató tizenhat tányér utódot helyezett be a házba, meghúzta tizennyolc csavart, elindította az áramlást és bezárta a rendszert. Hirtelen komoly arca elárulta a feszültséget. Abban a homályos reményben, hogy a repülés harmadik és egyben utolsó napja még sikeres lehet. Csak később. Talán délután? Szeptember 12., csütörtök volt, reggel fél kilenc után. Visszacsúsztunk a fehér kárpitozott felületeken a néhány üléssorig, ahonnan éppen felszabadultunk. Múltbeli titokzatos dobozok, mindenféle gombokkal, oszlopokkal, kábelekkel, öntapadó szalagokkal, figyelmeztető feliratokkal - csúcstechnológia házi készítésű, inkább "Big Bang Theory", mint "Space Odyssey" érzékkel.

Tizennégy kutatócsoport projektjei voltak, akiknek kabalái szomorúan lógtak az ablaktalan falakon. Ha minden a tervek szerint haladt volna, hamarosan baglyokat, nyulakat, békákat, lajhárokat láttunk volna - egy egész plüss állatkertet, papírrepülőkkel a levegőben; megkötözve, különben lelövik őket. A frankfurti csapat számára az ütő Frédéric volt szerencsés varázsként rajtol. Nem először, és a német űrkutatási központ (DLR) 34. parabolikus repülési kampányának első két repülési napján minden ismét zökkenőmentesen zajlott, a frankfurti biológusok és növényeik számára is. Ahogy egy évfordulóhoz illik: a DLR 1999 óta folytatja saját parabolikus repülési kampányait. Húsz év kutatás a súlytalanságban - vagy kisebb gravitációs hatással, például a Holdon vagy a Marson. Erre a célra 2015 óta használnak egy Airbus A310-et, amelynek első repülése 1989-ben volt, és ideiglenesen az Airbus "Konrad Adenauer" kancellárjaként használták, mielőtt átalakították "ZERO-G" -re.

Egy parabola az elejétől a végéig körülbelül három percet vesz igénybe

A súlytalanság kezdete

Vége a súlytalanságnak

Forrás: DLR/F.A.Z.-feldolgozó joth., She.

Egy parabola az elejétől a végéig körülbelül három percet vesz igénybe

A súlytalanság kezdete

Vége a súlytalanságnak

g = gravitáció (9,81 m/s²)/forrás: DLR/F.A.Z.-feldolgozó joth., sie.

Huszonkét másodpercig gyakorlatilag megszakad a gravitációs húzás, és tökéletesen irányított parabola repül. Egy ilyen szakasz az elejétől a végéig három percig tart, sorrendenként összesen 31, rövid szünetekkel, például a tesztberendezés beállításához. Ehhez Éric Delesalle repülő kapitány négyszemélyes csapatának több órán keresztül koncentráltan kell dolgoznia: A pilótafülkében hármójuknak nemcsak a turbulenciát kell kompenzálnia, hanem a szöget is pontosan kell repülnie a nulla G elérése érdekében. A szkopopolamin, amely állítólag megkönnyíti számunkra, utasok számára a gravitációs erő majdnem kétszeresének a nullától 1,8 grammig történő váltását és megakadályozza az émelygést, de megzavarhatja a koordinációt, számukra tabu.

A pilóták számára alig van különbség, hogy a tudósok a fedélzeten vannak-e, vagy magánszemélyek - mondta Delesalle a repülés első napjának délutánján. Először ugyanazokkal a manőverekkel és biztonsággal repülnek. Ettől eltekintve a tapasztalt pilóta viccelődött, hogy a kutatóknak esetleg el kell hagyniuk egy kis kényelmet, mert a "teljesítmény" fontosabb számukra, mint a szórakozás. Ha jól akarsz érezni, nem érdekel, hogy 18 vagy 20 másodpercig súlytalannak érezheted magad. A kutatók mindig többet akarnak, ezért Delesalle megszokta. Unalmas? Nem, soha nem fog.

A francia Novespace vállalat elsősorban az Airbus számára nyújt tudományos vagy űrhajós képzéseket a Bordeaux-Mérignac repülőtéren, de súlytalanul megszervezi a magánkézben foglalható kirándulásokat is. A 6000 eurós jegy már-már olcsóbb, a pénz előnyös a tudomány számára, amely rendkívül összetett, sokszor drágább, és hardverként támaszkodik erre a különleges A310-re, például alapkutatók a robotika, az aerodinamika, a folyadékmechanika, az űrutazás területén vagy neurológia. Például a fizikusok nehéz felszereléssel utaztak erre a 34. DLR-kampányra, hogy tanulmányozzák a poros vagy összetett plazmát; Az űrorvosok magukkal hurcolták a prosztatarák sejtjeit, és a növényfiziológusok hozták a saját inkubátorukat.

Az ellenőrzőlistákat aprólékosan vezetik: Amit az Airbus tesztsorozata elfelejtett, azt néha kölcsönkérhetjük a Bordeaux-i Egyetem kollégáitól, de egy űrutazáson nincsenek alternatívák, az alkatrészek ritkák. És minél stabilabb a rendszer - és könnyebben használható, annál jobb. Ezt a felkészülési héten is megvitatták és segítették egymást, mert nem számít, hogy a résztvevők milyen területre szakosodtak, mindannyian meglepően hasonló problémákra keresnek technikai megoldásokat.

Nagyobb gondok csak akkor jelentkeztek, amikor szeptember reggel a szélvédő magasan a tenger fölé süllyedt, és egyik rétege rettenetesen szép repedésmintát alkotott. Cserére volt szükség, és valószínűleg napok telnek el, mire a gép újra felszállhat. Azt mondták, hogy vasárnap minden terv megdőlt. Aki tehette, elhalasztotta a hazautat és a szakmai gyakorlatot, meghosszabbította a bérelt autókat és a szállást, és anyagi támogatást keresett. Tegyen meg mindent annak érdekében, hogy több adatot gyűjtsön, és mentse a néha megismételhetetlen kísérleteket. A plazma esetében nincs probléma, de a tápközeg kevés volt a rákos sejtek számára, és ez a végét jelentette Dario Ricciardi és az IMPACT-Box számára is: 10 000 megfelelő korú növényt nem lehetett egyszerűen elővarázsolni; Az Arabidopsis thaliana gyorsan növekszik, de nem volt elegendő idő. Ennek a kísérletnek az első parabola után már vége lett volna, a metanol másodperceken belüli befecskendezése megölte a növényeket és megőrizte a gyökereikben a folyamatokat, miután azok teljesen elszakadtak a gravitációtól.

Végül is a repülés első két napjának mintái biztonságosan várakoznak: "Egy ideig a fagyasztóban maradnak, és egy második kampány megadhatja nekünk a szükséges számú másolatot" - mondta Maik Böhmer a Frankfurti Egyetemről a következő lépések ismertetésével. "Vagy külön elemezzük azokat a változásokat, amelyeket vad típusú növényekben az előző években parabolikus repüléseknél mértünk." Ezen a kutatási területen megtanulod alkalmazkodni a körülményekhez, és összehangolni az elemzéseket a tudományos minőség feláldozása nélkül.

Bordeaux-ban a remény jelenleg a FLUMIAS volt. A Németországból érkezett biológusok a novespace-i rögtönzött laboratóriumukban fluoreszcens mikroszkóppal végzett kísérleteikre koncentráltak, mivel az ezért felelős Airbus mérnökök meghosszabbíthatták tartózkodásukat hétvégéig. Tárgyai nem egyes sejtek vagy szövetrétegek voltak: „Ez értelmetlen lenne a növényeknél. Nem műtárgykutatást akarunk végezni, inkább meg kell figyelnünk, hogyan reagál egy többsejtű organizmus ”- mondta Böhmer a cél kifejtésével. Mivel a kalcium kulcsfontosságú szerepet játszik belső jelként, csapata és aarburgi Christoph Forreiter csapata speciális mutánsokat tesztelt, hogy lássa, a változó gravitáció hogyan hat rájuk a parabolikus repülés során. Ha kalcium szabadul fel a gyökérben, akkor a fluoreszcencia ezeken a területeken megnő, vörösen izzik, és csak Marburgban 60 000 mikroszkóp képet kell értékelni erre a célra. A Heidelbergi Egyetemen a posztdoktor Marjorie Guichard valószínűleg egy ideig elfoglalt elemzéseivel, mint Sandra Thiele a frankfurti Zero Gravity Lab-ban.

Egy hajtás felfelé nő, a gyökér lefelé. Régóta ismert, hogy a növények nemcsak a fényre, hanem a gravitációra is orientálódnak. Ezt gravitropizmusnak hívják, és a keményítőszemcsék statolitként szolgálnak, és engedelmeskednek a gravitációnak: „A gravitációra reagálnak, lebuknak. És akkor mi van? Megpróbálunk válaszolni erre az állítólag egyszerű kérdésre. ”- mondja Böhmer. Tudod, mi történik harminc perc vagy nap után, de nem tudod, mi történik a reakció első hatvan másodpercében: Hogyan néz ki a jel kaszkád kezdete? Mely receptorok, mely enzimek vesznek részt? Ezek a sejtbiológusokat érintő kérdések, mert a reakcióláncban vannak bizonyos hiányosságok, amelyeket le kell zárni, a tenyésztők érdekében is: Ha a viharok a jövőben gyakrabban nyomják le a mezőket, akkor hasznos tudni, mi segíti a növényeket az újbóli kiegyenesítésben, és ennek megfelelően felhasználhatók a megfelelő A fajtákat keresik és kiválasztják.

A növények számára ez stresszt jelent, összehasonlítható az aszályral és a hővel, és a molekuláris válasz kezdetben minden ilyen vészhelyzetben azonos lehet. Az alapot még nem találták meg, de: "Meg akarjuk fejteni a jelkaszkádot és megérteni az egyes folyamatok kölcsönhatását" - mondja Böhmer. Míg a paradicsom alkalmas például hőpróbákra, a gravitációt a most jól kutatott Arabidopsis modelljével vizsgálják. Azt, hogy ésszerű lenne-e beavatkozni, ha szükséges, csak a mechanizmusok ismeretében lehet meghatározni. "Nem vagyunk tenyésztők, de a nélkülözhetetlen alapokat megadjuk" - foglalja össze Böhmer. Ha oldalán megfelelő növényi fajták jelennek meg alacsonyabb gravitáció mellett a Holdon vagy a Marson, ez természetesen nagyszerű, de nem a feladat.

Míg Böhmer és munkatársai alapvető kérdéseknek szentelik magukat, amelyek nem csak az űrutazás szempontjából fontosak, néhány tudós azt kéri, hogy koncentráljanak hasznos növényekre. Arabidopsis helyett próbáljon ki paradicsomot vagy lencsét súlytalanságban. Például Paul Zabel űrmérnök. Üvegházrendszereket fejlesztett ki az űrhöz, ezért kertész lett az Antarktiszon (lásd: "Az ecsettel"). „Azért nem gondolok annyira a modellüzemekre, hogy az ISS-re vonatkozó kutatás ideje nagyon korlátozott. Az űrhajósoknak más dolguk van. Ezenkívül csak kicsi növénykamráknak van hely, és inkább növényeket termesztenék bennük, hogy megoldhassam a konkrét problémákat. ”Ellenkező esetben később meg kell ismételni a kísérleteket, és először össze kell hasonlítani az eredményeket. Nem feltétlenül búza vagy burgonya, a saláták is.

Ha valamikor a Mars a célpont, akkor az emberes űrutazásnál nem kérdés, hogy a növények termesztése több mint örvendetes lenne. Szükség lenne vitaminokban gazdag friss élelmiszerekre, míg a tárolt élelmiszerek hosszú távon elveszítik tápértéküket. A növények oxigéntermelőként is keresettek lennének, mert a költségek óriásiak lennének, ha a személyzet mindent megtenné, ami az utazáshoz szükséges, ami a forgatókönyvtől függően 500 vagy 1000 napot vesz igénybe oda-vissza. Több mint hetven négyzetméteren zöld növényzetet kell termesztenie, hogy oxigénnel látja el a háromfős csapatot; ha csak természetes fényt használnának, akkor 24 üvegházra, egyenként kilencven négyzetméterre lenne szükség egy hatfős Mars-misszió támogatásához.

Előtte egy könnyebben elérhető kutatóintézetet kell létrehozni az űrben: "Üvegházat tervezünk a Holdra" - magyarázza Zabel. Ezt először egy tipikus űrmodulban kell létrehozni, majd később elküldeni a Holdra. Az amerikai Artemis program hirtelen mozgást hozott az űrutazásba, mind politikailag, mind technikailag: „Izgalmas idők nekünk mérnököknek.” Talán egy holdállomást építenek hat-hét év múlva. Vagy talán húsz év múlva. Matthias Maurer, az űrhajós, az űrhajós egy Mars-missziót képzel el, amely elegendő teret kínál a kísérletekhez, meglehetősen lassabb és megfelelően megtervezett, mint sietve elindul. Anyagtudós, és fenntartható technológiákat szeretne az ilyen kutatásokhoz. Mivel ott nem lehet őket kipróbálni, a Hold a következő célpont a teszteken. "És jó lenne, ha valami zöld lenne veled" - mondja a Saar-vidéki őslakos, akinek korábban semmi köze nem volt a kertészkedéshez. Ő lesz a következő német, aki az űrbe repül és kiképzést küld az ISS-re, ahol örülhet, hogy gondozhatja a növényeket.

A 34. DLR-kampányba meghívott Maurer maga elmagyarázta a fedélzeten, mi rejlik az elszigetelt tesztegységek mögött. Míg a francia Esa űrhajós, Thomas Pesquet a pilóta csapat tagja volt, Maurer a repülés második napján utasként teljesítette a parabolikus képzést. Nincs zöld hüvelykujja, de kíváncsi, és tudósként meg akarja érteni, mi is egy kísérlet, „nem csak egy gombot nyom, amikor felrepülök”. A növényfiziológusok részletes képek segítségével szemléltetni tudták FLUMIAS-projektjeiket is. Nem kell lelkesednie a botanikáért, ennek a fluoreszcens mikroszkópos elemzésnek a koncepciója elég izgalmas. Hol lehet még látni, hogy a kalcium rezgő vagy finom gyökércsúcsok ülnek mikrofluidikus chipekben?

És nemcsak az anyagtudósok fogják értékelni a „RootChipek” ötletes gyártási folyamatát, amelyet Guido Grossmann fejlesztett ki a heidelbergi egyetemen. A fotolitográfia segítségével ezeket puha szilikonból készíthetjük, hogy a majdnem egy hetes Arabidopsis növények elegendő helyet találjanak. Gyökereik repülés közben néhány mikrométerrel megnőnek, és a finom csatornákon tápközeg áramlik. A speciálisan gyártott mini szivattyúk folyamatosan áramlik, az álló helyzet befolyásolja a reakciókat. A műanyag hordozóanyagként is alkalmatlan lenne: "Heidelbergi kollégáink kipróbálták és ledarálták a csatornákat" - mondta Böhmer. De a felület túl durva, a gyökerek ütnének és elindítanák „sérülés” programjukat. Az akut rosszabb, mint a csökkent gravitáció, és a válasz bármi mást meghalad.

A növények nem ismerik a felfüggesztés állapotát, evolúciójuk során a föld soha nem veszítette el vonzerejét. Még mindig sikerül felkutatnia az évmilliók óta létező mechanizmusokat 22 másodpercen belül. A harmadik járatot azonban törölték - a javítás bonyolultabbnak bizonyult, mint azt eredetileg gondolták. De az elemzések folytatódnak, és 2021 tavaszán a frankfurti székhelyű vállalat kutatórakétával küldheti üzemeit az űrbe. Az IMPACT-nak mosógép-dob méretére kell zsugorodnia, a biológusokat öt perc súlytalansággal jutalmazzák. A hírnév később következik. Talán.