"Planten onder veranderde zwaartekracht groeien sterk en gezond"

Het Franse biotechnologiebedrijf Orius heeft de eerste resultaten gedeeld van plantenproeven in hun interne zwaartekrachtsimulator, Gravilab. Daarbij lichtten ze ook de technische keuzes toe die het mogelijk maakten om volledige plantmetingen uit te voeren.

Het eerste onderzochte gewas is Brassica rapa var. japonica (mizuna), een compacte en snelgroeiende bladgroente die al eerder in ruimtebiologie werd toegepast. "De planten die onder veranderde zwaartekrachtomstandigheden worden geteeld, ontwikkelen sterke bovengrondse delen en vertonen gezonde groei," aldus het R&D-team van Orius. "Het wortelstelsel laat echter een ander patroon zien: in plaats van dieper de bodem in te groeien, spreiden de wortels zich meer horizontaal uit."

Het team gaat nu verder met het kwantificeren van de wortelarchitectuur, de balans tussen wortel en stengel en de rijpingstijd. Daarna volgen studies naar zaadvorming en overerving, om vervolgens over te stappen naar een vruchtmodel (Micro-Tom-tomaat).

© Orius

Hoe de simulator werkt
Gravilab verandert de zwaartekracht zelf niet, maar roteert de plant continu. Hierdoor neemt de plant nooit een vaste zwaartekrachtvector waar. Zo wordt micro- of gedeeltelijke zwaartekracht benaderd via gedefinieerde rotatiepatronen die door een eigen algoritme worden gegenereerd.

Om betrouwbare data te verzamelen, is Gravilab ontworpen als een volledig geïntegreerde onderzoeksopstelling. "Het systeem is uitgerust met multispectrale LED-belichting en een geïntegreerde ferticatieset," vertelt het team. "We plaatsen Gravilab in onze gecontroleerde teeltkamer (Biomecell), waar CO₂ en klimaatomstandigheden continu worden geregeld. Alle parameters worden gevolgd via onze besturingssoftware BiomeOS, waarmee onderzoekers variabelen in realtime monitoren en uitgebreide datasets ophalen."

Eerste proeven laten bijna 100% kieming van mizuna zien onder gesimuleerde microzwaartekracht, waarbij de volledige ontwikkelingscyclus vanaf opkomst is gevolgd. Alle experimenten worden uitgevoerd in Biomecell en beheerd via BiomeOS, zodat runs onderling goed vergelijkbaar zijn.

Twee ontwerpuitdagingen en hun oplossingen
Irrigatie tijdens rotatie: zonder zwaartekracht is het verdelen van water een grote uitdaging. Orius ontwikkelde daarom irrigatiesystemen zoals aeroponics met gespecialiseerde sproeitechnieken, die efficiënt gebruikmaken van hulpbronnen en voor een gelijkmatige verdeling zorgen. Hergebruik van water is hierbij cruciaal: "Traditionele waterbehandelingstechnologieën van de aarde zijn te hulpbronnenintensief voor ruimteomgevingen," aldus het team.

Luchtstroom zonder convectie: bij verminderde zwaartekracht verdwijnt natuurlijke convectie, waardoor vocht en gassen zich rond bladeren kunnen ophopen. "Onze grootste uitdagingen zijn ontvochtiging en thermische regulering," zegt het team. Daarnaast moet de gassamenstelling zorgvuldig worden beheerd. "Het verwijderen van CO₂, ethyleen en andere vluchtige organische stoffen is essentieel, zeker omdat onze units meerdere gewassen in één faciliteit moeten ondersteunen." Dezelfde technologieën – gecontroleerde luchtstromen, actieve gasreiniging en lekvrije recirculatie – zijn ook toepasbaar in dichte, verticale teeltsystemen op aarde.

Koppeling met levensondersteunende systemen
De teeltmodules zijn ontworpen om samen te werken met de milieucontrole- en levensondersteuningssystemen (ECLSS) van habitats. "Ons volledig zelfvoorzienende productiesysteem kan koppelen aan de basismodule. Volgens onze berekeningen kunnen onze teeltmodules alle CO₂ afvangen die vrijkomt van het aantal bemanningsleden dat ze voeden." Daarnaast worden gewasresten getest als substraat voor paddenstoelen, zodat koolstof- en nutriëntenkringlopen gesloten kunnen worden.

Stress als hulpmiddel en het belang van zwaartekracht
Op aarde richt Orius zich op het beheren van omgevingsfactoren om de productie van bioactieve stoffen te verbeteren. Het zwaartekrachtonderzoek voegt daar een extra dimensie aan toe. "Het oproepen van stressreacties die de bioactieve inhoud verhogen is bijzonder interessant. De invloed van zwaartekracht op de nutriëntendichtheid en bioactieve samenstelling is voor ons zeer relevant."

"Deze ontwikkelingen kunnen niet alleen bijdragen aan ruimte-onderzoek, maar ook aan innovatieve oplossingen voor CEA op aarde. Door efficiënte recyclingsystemen te ontwikkelen kunnen gewassen namelijk met minimaal energie- en hulpbronnenverbruik worden geteeld."