Warum scheiterte "Biosphäre 2"? Why did "Biosphere 2" fail?

english summary:
Biosphere 2 was a 1990s sealed-ecosystem experiment in Arizona housing eight people for two years to test self-sustaining habitats for space travel. But despite immense efforts things went wrong, forcing external aid that broke pure autonomy. Though deemed a failure then, it taught key lessons on closed systems and still hosts research today. Here is the full story:

Liebe Leser,
kann sich jemand von Euch noch an "Biosphere 2" aus den 1990ern erinnern? Es war ein Versuch, ein von der Außenwelt komplett unabhängiges, sich selbst erhaltendes Ökosystem zu schaffen, basierend auf einer Idee aus dem 1980ern von John P. Allen und seiner damaligen Gegenkultur-Community. So ein System wäre wichtig für spätere Weltraummissionen und Basen auf Mond und Mars (daher hatte die NASA auch Beobachter-Status). Trotz immensen Aufwandes scheiterte das Experiment zwei mal, brachte aber wichtige Erkenntnisse!

^{https://www.25u.de/reportagein-biosphere-2-tucson-usa/}

Nach dreijähriger Planung wurde von 1987 bis 1991 in der Nähe von Tucson, Arizona (also mitten in der Wüste) in einem Glas-Kuppelbau auf 1,3ha ein geschlossenes Ökosystem errichtet, mit verschiedenen Biotopen wie Savanne, Ozean (sogar mit Korallenriff!), tropischer Regenwald, Mangrovensumpf, Wüste (jedes Biotop mit eigenen Einstellungen für Temperatur und Wassermenge), und natürlich ein Bereich für die intensive Landwirtschaft (allerdings ohne synthetische Düngemittel). Ca. 3800(!) verschiedene Tier- und Pflanzenarten wurden dort angesiedelt. Bezahlt wurde das Ganze vom Öl-Milliardär und Philantropen Edward Bass, insg.150 Mio.$ Kosten angesichts umfangreicher technischer Einrichtungen wie Pumpen, Ventilation, Wasserwiederaufbereitung, Filtersysteme, einer "Lunge", die die Ausdehnung der Luft im Habitat tagsüber kompensierte, etc. Schließlich sollten die 8 Freiwilligen dort 2 Jahre komplett autark leben und sich ihre Nahrung selbst anbauen können. Die einzige Einschränkung war, dass von außen elektrische Energie zugeführt wurde (aber auch Raumstationen werden eine Energieversorgung haben).
Die Russen hatten ab den 1960ern auch schon ein ähnliches, aber weit simpleres Projekt verfolgt (unterirdisch mit künstlichem Licht, mit nur wenigen Pflanzen und ohne den Autarkie-Anspruch), BIOS-3, und ihre Erfahrungen flossen auch in die Planung von Biosphere 2 ein (John P. Allen hatte 1989 sogar das Areal in Krasnoyarsk, Sibirien besucht, es gab also eine Kooperation).

Ein Urwald unter Glas

^{https://dartmouthalumnimagazine.com/articles/biosphere-2-what-really-happened}

Im Wüstenbiotop

^{https://earthlymission.com/biosphere-2-arizona-experiments-largest-closed-ecological-system/}

Die Wohnbereiche waren recht komfortabel eingerichtet.

^{https://www.25u.de/reportagein-biosphere-2-tucson-usa/}

Am 26.9. 1991 begann das Experiment (zuvor gab es Vorversuche, die nur je 1 Woche dauerten) und die Eingangstür wurde (unter großem Medieninteresse) hermetisch verschlossen. Acht Teilnehmer lebten bis zum 26.9. 1993 genau 2 Jahre und 20 Minuten in der Biosphäre 2 (der Name wurde gewählt, weil die Erde selbst die Biosphäre 1 ist).

Die erste Crew vor dem Start, in ihren roten Anzügen (angefertigt von Marilyn Monroes ehemaliger Schneiderin). Vorne Dr. Roy Walford, mit 69 der älteste Bionaut. Die meisten kannten sich schon, denn sie hatten davor in der Kommune "Synergia" bei Santa Fe zusammengelebt.

^{https://www.theguardian.com/film/2020/jul/13/spaceship-earth-arizona-biosphere-2-lockdown}

Aber schon nach 2 Wochen verletzte sich ein Teilnehmer an der Hand und musste für kurze Zeit außerhalb der Kuppel versorgt werden. Auch weil er beim Zurückkommen ein paar Ausrüstungsgegenstände mitnahm, galt das Experiment offiziell als fehlgeschlagen. Was sonst noch passierte in den 2 Jahren:

• Der Sauerstoff sank schneller als erwartet, anstatt 21% fiel er im Habitat auf bis 14%, dafür stieg CO₂ rasant, das bestimmte Mikroben in der Erde rascher produzierten, als es die Pflanzen verwerten konnten! Unter diesen "Höhenluft"-Bedingungen (ein der 8 sagte "it felt like mountain-climbing") hatten die Teilnehmer nur wenig Energie für die Nahrungsbeschaffung und litten zum Teil unter Schlaf-Apnoe und Fatigue. Es stellte sich heraus, dass O₂ auch durch die (nahezu) luftdichte Glasscheiben-Stahlkonstruktion entwich (gering, aber messbar) und in unverputzte Betonoberflächen einsickerte. Im 2.Jahr musste daher 2x Sauerstoff von außen zugeführt werden. Das hatte eine sofortige starke Auswirkung. Dadurch konnten die Teilnehmer z.B. wieder laufen ("I felt like I’d been 90 years old and now I was a teenager again") und wurden regelrecht euphorisch.

• Nahrungsmangel: Die Pflanzen stellten sich als sehr aufwändig in der Bewirtschaftung heraus bzw. waren zum Teil einfach schlecht ausgewählt, sodass deren Ertrag hinter den Erwartungen blieb. Andere litten unter Lichtmangel und Mangel an Wind (was z.B. die Bäume weniger fest machte). Anstatt sich mit ökologischen Experimenten und Messungen in den Biotopen zu beschäftigen, waren die Bionauten bald zu Vollzeit-Bauern degradiert (Bananen, Papayas, Hirse, Süßkartoffeln, Rüben, Karotten, Yams, Kürbisse, Pfeffer, Tomaten, Feigen, Kohl, Auberginen, Erdnüsse, Bohnen, Zwiebel, Reis und Weizen wurden angebaut, auch Kaffee), wobei keiner der Crew Erfahrung als Bauer hatte (bis auf das Studium von "how to"-Manuals). Der Anbau erforderte harte körperliche Arbeit, der Ertrag war aber nur mickrige 1750 Kal. pro Mann und Tag. Alle magerten ab und dachten nur noch an Essen. Es kam zu Nahrungsdiebstählen und der Kühlschrank musste abgesperrt werden. Sie verloren nach einem Jahr im Schnitt 16% ihres Gewichts, bevor sich ihr Gewicht dann im 2. Jahr auf leicht höherem Niveau stabilisierte (ihr Stoffwechsel begann, die Nahrung besser zu verwerten und durch gewonnene Skills beim Anbau steigerte sich der Ertrag auf 2200 Kal./d). Der einzige Arzt unter den Teilnehmern, Roy Walford, hatte sich davor mit Kalorienrestriktion beschäftigt (Zufall?). In seinen vielbeachteten Studien an Mäusen unter Diät lebten die mageren Nager 40% länger als die fetten und so überzeugte er seine Team-Mitglieder, dass die Gewichtsabnahme nicht schädlich war. Der Hunger blieb aber und so öffneten sie einmal eine Notfall-Nahrungsreserve (was ein Bruch der Autarkie war). Mit einer vernünftigen fleisch-hältigen Diät (also dem Halten und der Aufzucht von Rindern oder zumindest Hühnern) wäre all das nicht passiert, aber Vegetarismus war offenbar Teil des Konzeptes (oder notwendig, nachdem das letzte Huhn geschlachtet war). Abgesehen vom Untergewicht verbesserten sich etliche Parameter wie Blutdruck, Blutzucker, Cholesterin und das Immunsystem bei der Crew zwar, dafür wurden Toxine, die im Körperfett gespeichert waren, durch das Einschmelzen desselben ins Blut gespült.

Roy Walford, vorher und nachher.

^{https://www.businessinsider.com/man-spent-two-years-in-biosphere-2015-3}

• Emotionaler Streß, auch weil die Teilnehmer ständig "in der Auslage" waren. Busweise kamen Besucher und wollten die "biospherians" bestaunen, sogar die Anthropologin und Primatenforscherin Jane Goodall kam einmal zu Besuch (“she observed us like we were captive primates”, so ein Teilnehmer). Natürlich entstanden auch Konflikte (schon alleine der Nahrungsmangel führte zu Gereiztheit), es kam aber zu keiner Gewalt und keinen Sabotageakten. Trotz der Streitigkeiten arbeiteten alle für den Erfolg des Projekts. Es bildeten sich 2 Lager von je 4 Teilnehmern, die einen wollten mehr Sauerstoff und Extra-Nahrung, damit die Crew sich mehr um die ökologischen Experimente und die Erhaltung der Biotope kümmern konnte, die anderen, die "Puritaner" wollten das nicht, sondern dass vor allem die Autarkie gewahrt wurde. Das erste Lager konnte sich durchsetzen, was aber zur Folge hatte, dass das Experiment nach dem Extra-Sauerstoff und der Extra-Nahrung nicht mehr als wissenschaftlich angesehen wurde, sondern eher als "pseudo science" und "Ökologie-Entertainment".

• Etliche Pflanzen gingen ein und alle Vertebraten (vor allem Vögel und ein paar Schweine) und viele mitgebrachte Insekten starben aus, bis auf 2 Ausnahmen. Kakerlaken gediehen prächtig (mit negativen Auswirkungen auf die Ausbeute an Nahrung) und auch eine bestimmte Ameisenart, Paratrechina longicornis, eine in den Tropen mittlerweile gefürchtete Schadameise, hatte alle anderen Ameisenarten verdrängt. Die Bionauten mussten auch bestimmte Unkräuter, die die Glaswände emporrankten, ständig in Schach halten, da sonst noch mehr Lichtverlust gedroht hätte. Pestizide wurden natürlich nicht eingesetzt (nicht einmal Deodorants oder Waschmittel waren in Biosphere 2 eingebracht worden, um das labile ökologische Gleichgewicht nicht zu gefährden). Dass einige Arten nicht überleben würden, war einkalkuliert worden. Mit "species-packing", also dem Ansiedeln von extra viel Arten, wollte man das Bestehenbleiben von Nahrungsketten sicherstellen, auch wenn einige Arten verloren gingen im Verlauf des Experiments. Ansonsten ist aber die Biodiversität nach 2 Jahren erstaunlich gut erhalten geblieben und die gesamte Biomasse hatte sich nach 2 Jahren verdoppelt.

2. Mission
Nach Verarbeitung der Ergebnisse und Implementierung einiger Verbesserungen (z.B. wurden die Betonoberflächen versiegelt, um den Sauerstoff-Schwund zu verringern), startete am 6. März 1994 ein zweiter Versuch, diesmal auf nur 10 Monate ausgelegt und mit einer siebenköpfigen Crew. Doch schon nach einem Monat kam es zu einer Auswechslung des Managements des Projekts, dem ein katastrophales Finanzgebaren und schlechtes PR-Management vorgeworfen wurde. Als neuer Chef wurde von Ed Bass der Investment-Banker Steve Bannon eingesetzt (eine illustre Person, die später "Breitbart-News" mitgründete, VP von "Cambridge Analytics" war und auch eine Zeit lang Chefstratege von Donald Trump). Danach wurde es richtig unschön. 2 ehemalige Crewmitglieder der ersten Mission kamen zur Anlage und öffneten mehrere Sicherheitstüren, angeblich wurden auch ein paar Scheiben eingeschlagen, sodass insg. ca. 1/10 der Luft aus dem Habitat ausgetauscht wurde. Sie begründeten die Sabotage damit, dass es eine Notsituation wäre und die Bionauten von dem geänderten Management erfahren sollten. Später wurden auch 2 der 7 ausgetauscht und überhaupt die Mission nach 6 Monaten vorzeitig abgebrochen. Sie hatte keine nennenswerten wissenschaftlichen Ergebnisse gebracht, außer dass sich über die 6 Monate die Mannschaft zumindest nahrungsmäßig selbst versorgen konnte.

Das Ganze endete schließlich 1996 vor Gericht: Crewmitglieder der ersten Mission zusammen mit einigen der entlassenen Manager klagten gegen Steve Bannon und das neue Management und gewannen den Prozess.

Das Danach
Schon im Jahr 1992 publizierte Roy Walford seine Untersuchungen mit den 8 "Laborratten" unter Kalorienrestriktion in PNAS (einem angesehenen Journal). Aus medizinischer Sicht galt der Versuch eher als Erfolg, wenngleich Roy Walford seinen Lebenstraum eines langen Lebens selbst nicht erleben durfte. Er, der 1986 das Buch geschrieben hatte "The 120-Year Diet: How to Double Your Vital Years", starb mit 79 Jahren an Amyotropher Lateralsklerose (ALS) und war in seinen letzten Lebensjahren ein körperliches Wrack.
Die Medien waren aber insgesamt recht kritisch und vor allem fixiert auf den Bruch der Autarkie und somit das Scheitern des primären Missionsziels. Diese Kritik lässt freilich außer Acht, dass Biosphere 2 ein Experiment war, bei dem auch Unvorhergesehenes passieren würde, um so neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie sich komplexe Ökosysteme entwickeln – und keine Demonstration, bei der alles im Voraus bekannt war.
Auch war einigen Journalisten und akademischen Wissenschaftlern suspekt, dass viele der Mitwirkenden keine typischen hardcore-Wissenschaftler waren, sondern eher "einer Sekte" angehörten, anspielend auf die von John P. Allen gegründete Synergia-Ranch, wo schon früh das Projekt ausgetüftelt worden war. Auf der Ranch, die großzügig von Ed Bass gefördert worden war, wurde Theater gespielt und sie galt als "Science-Hippie Kommune".

1995 wurde das Management von Biosphere 2 an die Columbia Universität übergeben, die daraus bis 2003 ein Institut zur Klimawandelforschung machte, indem sie die CO₂-Spiegel willkürlich manipulierten und das luftdichte Versiegelungskonzept aufgaben. Das Forschungsthema "geschlossenes Ökosystem" war damit beendet.

2007 wurde die Anlage für 50 Mio.$ an eine Entwicklungsgesellschaft verkauft, die unter anderem ein Hotel bauen wollte (was aber nie umgesetzt wurde). Die Universität von Arizona und Spenden von Ed Bass und anderen ermöglichten aber, einen Forschungsbetrieb aufrechtzuerhalten. Heute laufen in der Anlage mehrere Untersuchungen zum Thema Klimawandel, Korallenriff-Wiederherstellung, Landschaftsentwicklung/Terraforming, Ökologie bestimmter Biotope und Bioregeneration.
Hier ein kurzes Video (2min.), wie sich Biosphere 2 heute darstellt:

Heute gilt dieses einmalige Experiment (das seither nie wiederholt wurde) nicht mehr als gescheitert, sondern als äußerst lehrreich. Es zeigte, dass

• es weit schwieriger ist als bisher angenommen, ein geschlossenes ökologisches System aufrechtzuerhalten, insb. die O₂ und CO₂-Regulation ist sehr anfällig für Störungen. Die sehr nährstoffreichen Böden führten zu starker mikrobieller Atmung (die Mikroorganismen verbrauchten O₂ und produzierten CO₂). Die (jungen) Pflanzen konnten das nicht ausgleichen.
• intensive, chemiefreie Landwirtschaft in geschlossenen Systemen grundsätzlich funktioniert , aber ertragsmäßig limitiert und arbeitsintensiv ist. Es wäre besser gewesen, sich auf weit weniger, dafür pflegeleichte Nutzpflanzen zu beschränken.
• Nahrungsmangel (und auch Sauerstoffmangel) die sozialen Spannungen verstärkt, die ohnehin typisch sind für längeres Zusammenleben auf beengten Räumen (z.B. ISS, Überwinterung auf Antarktis-Stationen).
• nicht nur Stabilität im Inneren des Habitats, sondern auch außerhalb, beim Habitat-Management, zwingend nötig ist für einen Erfolg.

Mein Fazit:
Das Studium von sich selbst erhaltenden, geschlossenen Systemen wäre an sich sehr wichtig für die Raumfahrt und aufgrund der bisherigen Erkenntnisse gibt es auf dem Gebiet noch viel zu tun. Leider konnte die Forschung dazu aus politischen Gründen nicht fortgesetzt werden, weil sich offenbar die Klimawandel-Lobbyisten durchsetzten und sich selbst erhaltende Ökologien aus dem "Zeitgeist" verschwanden.

Quellen:
https://en.wikipedia.org/wiki/Biosphere_2
https://web.archive.org/web/20080703011852/http://www.biospheres.com/pubhistoricaloverview.html
https://www.theguardian.com/film/2020/jul/13/spaceship-earth-arizona-biosphere-2-lockdown
https://www.25u.de/reportagein-biosphere-2-tucson-usa/
https://www.cabinetmagazine.org/issues/41/turner.php
https://dartmouthalumnimagazine.com/articles/biosphere-2-what-really-happened
https://earthlymission.com/biosphere-2-arizona-experiments-largest-closed-ecological-system/