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Raumfahrtagenturen stehen bei Langzeitmissionen vor einem hartnäckigen Problem: Nahrung. Vorgefertigte Mahlzeiten von der Erde zu transportieren ist für Aufenthalte in der niedrigen Erdumlaufbahn praktikabel, für Flüge zum Mond, zum Mars oder darüber hinaus wird es jedoch technisch unpraktisch und finanziell untragbar. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) testet deshalb eine ungewöhnliche Lösung — die Erzeugung eines Proteinpulvers im Weltraum, das nur Luft, Elektrizität und Astronautenabfälle benötigt.
From carbon dioxide to protein: the Solein concept
Das explorative Terrae Novae-Programm der ESA hat ein Projekt mit dem Namen HOBI-WAN (Hydrogen-oxidizing Bacteria in Weightlessness as Nutrition) gefördert. Ziel ist die Produktion eines nachhaltigen Proteinpulvers namens Solein, das von dem finnischen Food-Tech-Unternehmen Solar Foods entwickelt wurde. Auf der Erde wird Solein mittels einer Gasfermentation hergestellt: Mikroorganismen nutzen Kohlendioxid aus der Luft, zusammen mit Wasserstoff und elektrischer Energie, und wandeln diese Inputs in eine proteinreiche Biomasse um, die anschließend zu Pulver getrocknet wird.
Die Idee hinter diesem Konzept ist ein klares Beispiel für In-situ-Ressourcennutzung (ISRU) und geschlossene Lebenserhaltungssysteme: anstatt große Mengen an Lebensmittelvorräten mitzuführen, soll ein kompakter Bioreaktor vor Ort Nährstoffe aus lokal verfügbaren Ressourcen erzeugen. Dieser Ansatz reduziert Startmasse und Volumen und erhöht die autarke Versorgungssicherheit auf Langzeitmissionen.
Wesentlicher Vorteil der Solein-Produktion ist die hohe Flächeneffizienz: im Vergleich zu pflanzenbasierten Proteinquellen benötigt die gasbasierte Fermentation praktisch keine landwirtschaftliche Fläche oder erheblich weniger Wasser. Für Missionen mit begrenzten Ressourcen und strikten Massen- und Volumenbegrenzungen kann dies ein entscheidender Faktor sein.
Why astronaut urine matters — replacing ammonia with urea
Auf der Erde verwendet der Fermentationsprozess typischerweise Ammoniak als Stickstoffquelle, die für den Aufbau von Proteinen notwendig ist. Im Weltraum sind die Logistik und Handhabung von Ammoniak jedoch komplizierter und potenziell riskanter. HOBI-WAN geht diesen Punkt an, indem das Projekt Ammoniak durch Harnstoff (Urea) ersetzt — eine organische Stickstoffverbindung, die in Harn (Urine) reichlich vorkommt.
Die Nutzung von Harnstoff aus Astronautenabfällen hätte mehrere Vorteile: erstens entfallen die Notwendigkeit und das Risiko, Ammoniak separat zu lagern und zu transportieren; zweitens wird die Stickstoffquelle direkt aus bereits vorhandenen Kreisläufen gewonnen, was die Materialeffizienz erhöht. In Mikrogravitation würde das Recycling von Harnstoff in den Fermentationskreislauf den Mikroben den Stickstoff liefern, den sie zur Synthese von Aminosäuren und zum Wachstum der proteinreichen Biomasse benötigen. Kurz gesagt: Luft (CO2), Elektrizität und recycelter Harnstoff könnten zusammen die Ausgangsstoffe für die Nahrungsmittelproduktion jenseits der Erde bilden.
Technisch betrachtet erfordert die Umstellung von Ammoniak auf Harnstoff zusätzliche Prozessschritte: Harnstoff muss hydrolysiert oder durch Enzyme und/oder spezielle Mikroben in bioverfügbare Stickstoffformen umgewandelt werden, die von den Wasserstoff-oxidierenden Bakterien (HOB) genutzt werden können. Das bedeutet, dass das System Unit-Operationen für Harnstoffaufbereitung und -einspeisung enthalten muss, einschließlich Filtration, Sterilisation und ggf. enzymatischer Behandlung.
Ein weiterer Aspekt ist die hygienische und sensorische Kontrolle: die Nutzung von Crew-Abfallstoffen verlangt strenge Kontrollen zur Vermeidung von Pathogenen, geruchsbildenden Verbindungen oder Rückständen, die die Bioprozesse stören könnten. Konzepte zur Vorbehandlung, wie Ultrafiltration, UV-Desinfektion oder chemische Neutralisation, sind daher wichtige Bestandteile eines sicheren, geschlossenen Systems.
Mission plan: developing the system and testing on the ISS
Solar Foods und OHB System AG, der Hauptauftragnehmer des Projekts, werden die nächsten acht Monate damit verbringen, Hardware und Prozessabläufe zu entwickeln, die für den Flugbetrieb geeignet sind. Dazu gehören robuste Bioreaktoren, Kontrollen für Temperatur, Druck und Gaszufuhr, sowie automatisierte Systeme für Probenahme, Sterilisation und Sicherheit. Diese Entwicklung auf dem Boden ist entscheidend, weil sie die Grundlage für einen erfolgreichen Einsatz im All bildet.
Falls die Bodentests erfolgreich verlaufen, ist geplant, einen Prototypen zur Internationalen Raumstation ISS zu fliegen, um dort eine Demonstration in der Umlaufbahn durchzuführen. Die geplante In-orbit-Demonstration würde mehrere wichtige Fragen adressieren: wie verhalten sich die Wasserstoff-oxidierenden Bakterien unter Mikrogravitationsbedingungen, ist die Urea-gefütterte Fermentation zuverlässig, und erfüllt das resultierende Solein-Pulver die Anforderungen an Qualität und Lebensmittelsicherheit?
Im Rahmen solcher Tests werden standardisierte Analysen durchgeführt, etwa Quantifizierung der Biomasseausbeute, Messung der Makro- und Mikronährstoffzusammensetzung, Prüfung auf schädliche Metaboliten und mikrobiologische Kontrollen. Darüber hinaus sind sensorische Prüfungen und Stabilitätstests wichtig, wenn das Produkt als Lebensmittel verwendet werden soll. Dazu gehören Geschmackstests (in sicherer, klinischer Umgebung), Löslichkeit, Haltbarkeit und mögliche Auswirkungen auf die Crew-Gesundheit.
Die Integration des Systems in die ISS-Umgebung erfordert außerdem Schnittstellen zu bestehenden Lebenserhaltungssystemen: Abwasser-Management, CO2-Entnahme aus der Kabinenluft, Stromversorgung und sichere Entsorgung oder Rückführung von Nebenprodukten. Die Interaktion mit Systemen wie dem Environmental Control and Life Support System (ECLSS) ist bei solchen Demonstrationen besonders relevant.
Why it matters for future exploration
Stellen Sie sich ein System vor, das Kabinenluft und Crew-Abfälle in ein lagerfähiges Protein umwandelt. Das würde die Masse für Nachschub verringern, Missionskosten reduzieren und die Resilienz auf Langzeitmissionen erhöhen. Für Missionen zum Mond oder Mars — wo Wiederbevorratung teuer und zeitaufwendig ist — könnte ein solches System die Ausdauer von Besatzungen deutlich steigern.
Neben der Raumfahrt hat diese Technologie auch aussichtsreiche terrestrische Anwendungen. In Regionen mit begrenzter Anbaufläche, Wasserknappheit oder in humanitären Krisen könnte gasbasierte Proteinproduktion eine kompakte, ressourcenschonende Alternative zu traditionellen Proteinquellen darstellen. Die Produktion von Solein oder ähnlichen Mikrobenproteinen benötigt weniger Land und oft weniger Wasser als Fleisch- oder Sojaanbau und kann lokal, modular und energieeffizient betrieben werden, wenn erneuerbare Energiequellen zur Verfügung stehen.
Aus wissenschaftlicher Sicht fördert die Entwicklung solcher Systeme zudem die Forschung an geschlossenen Ökosystemen und nachhaltigen Bioprozessen. Erkenntnisse aus Weltraumexperimenten lassen sich zurück auf die Erde übertragen — sei es durch verbesserte Prozesskontrollen, effizientere Bioreaktordesigns oder durch robustere Strategien für Recycling und Hygiene in geschlossenen Systemen.
Scientific and technical context
Die Gasfermentation mit wasserstoff-oxidierenden Bakterien ist auf der Erde eine ausgereifte Biotechnologie, doch ihre Anpassung an Weltraumbedingungen bringt spezifische Herausforderungen mit sich: geschlossenes Ressourcenmanagement, Sterilisationsverfahren, Prozesssteuerung in Mikrogravitation und die Validierung der Nährstoffzusammensetzung für den menschlichen Verzehr.
Ein technisches Kernproblem ist die Steuerung von Gas-Flüssigkeits-Interaktionen in Mikrogravitation. Auf der Erde sind Gasblasenverhalten, Gasaustauschraten und Scherkräfte gut erforscht; in der Mikrogravitation verändern sich diese Parameter deutlich, was Einfluss auf die Effizienz der Gasübertragung und damit auf das Mikrobiom haben kann. Bioreaktordesigns für die Raumfahrt müssen daher alternative Misch- und Austauschmechanismen nutzen, etwa Membrankontaktoren, Kapillarsysteme oder spezielle Sprüh- und Tropftechniken.
Sterilisation und mikrobiologische Sicherheit sind weitere kritische Punkte. Systeme müssen so konzipiert sein, dass sie weder die Crew gefährden noch die kontrollierten Mikroorganismen durch kontaminierende Keime stören. Dies erfordert redundante Kontrollebenen: physikalische Filter, UV- und Wärmedesinfektion, geschlossene Sterilbehälter und Monitoring mit schnellen molekularbiologischen Tests.
Die Validierung der Nährstoffzusammensetzung ist für die Zulassung als Lebensmittel unerlässlich. Solein besteht primär aus Protein und enthält zudem Aminosäuren, Mineralstoffe und andere Biomoleküle. Die vollständige Stoffanalyse, inklusive Aminosäureprofil, möglichen Spurenelementen und unerwünschten Nebenprodukten, ist Pflicht, bevor das Produkt in der Raumfahrt als Nahrungsmittel freigegeben werden kann. Langzeitstudien zur Verdaulichkeit, Nährstoffverfügbarkeit und möglichen Metaboliten im menschlichen Körper sind Teil der Sicherheitsbewertung.
Auf der Ebene der Prozessintegration sind Energiebilanz und Effizienz entscheidend: die Elektrolyse zur Wasserstoffproduktion, die Energiezufuhr zur Unterstützung mikrobieller Stoffwechselwege und die Gesamtwirkungsgrade bestimmen, wie praktikabel das System für Missionen mit begrenzter Energieversorgung ist. Die Kopplung mit erneuerbaren Energien an Basen auf Mond oder Mars ist ein denkbares Szenario, um ein nachhaltiges Betriebskonzept zu realisieren.
Abschließend ist HOBI-WAN ein früher, aber wichtiger Schritt Richtung vollständig geschlossener Lebenserhaltungssysteme, bei denen die Nutzung lokaler und recycelter Ressourcen über Luft und Wasser hinaus auch Nahrungsmittelerzeugung umfasst. Die gewonnenen Daten werden für die Optimierung von Bioreaktoren, Prozesskontrolle, biologischer Sicherheit und Nährstoffbilanz von unschätzbarem Wert sein — sowohl für die Raumfahrt als auch für nachhaltige Anwendungen auf der Erde.
Für Forschungsteams und Ingenieure bedeutet dies, dass interdisziplinäres Wissen gefragt ist: Raumfahrtingenieurwesen, Mikrobiologie, Bioprozesstechnik, Lebensmittelwissenschaft und Systemintegration müssen Hand in Hand arbeiten, um ein praktikables, sicheres und wartbares System zu entwickeln. Die nächsten Jahre dürften entscheidend sein, um zu zeigen, ob Solein und ähnliche Konzepte tatsächlich das Potenzial haben, die Logistik und Nachhaltigkeit von Langzeitmissionen grundlegend zu verändern.
Quelle: smarti
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