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Weltraumbehörden stehen vor einem hartnäckigen Problem für Langzeitmissionen: Nahrung. Vorgefertigte Mahlzeiten von der Erde zu transportieren funktioniert für die niedrige Erdumlaufbahn, wird aber für Flüge zum Mond, Mars oder darüber hinaus technisch unpraktisch und finanziell unerschwinglich. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) testet deshalb eine unkonventionelle Lösung – die Herstellung eines Proteinpulvers im All, das nur Luft, Elektrizität und Abfallstoffe der Besatzung nutzt.
Von Kohlendioxid zu Protein: Das Solein-Konzept
Im Rahmen des exploratorischen Terrae Novae-Programms der ESA wird das Projekt HOBI-WAN (Hydrogen-oxidizing Bacteria in Weightlessness as Nutrition) gefördert. Ziel ist es, ein nachhaltiges Proteinpulver namens Solein herzustellen, das von der finnischen Food‑Tech‑Firma Solar Foods entwickelt wurde. Auf der Erde entsteht Solein in einem Gasfermentationsprozess: bestimmte Mikroorganismen verwerten Kohlendioxid aus der Luft sowie Wasserstoff und elektrische Energie und wandeln diese Inputs in eine proteinreiche Biomasse um, die anschließend getrocknet und zu einem stabilen Pulver verarbeitet wird.
Die Gasfermentation mit hydrogenoxidierenden Bakterien beruht auf der Fähigkeit dieser Mikroorganismen, Energie aus der Oxidation von Wasserstoff zu gewinnen und gleichzeitig CO2 als Kohlenstoffquelle zu assimilieren. In industriellen Anlagen wird dafür häufig elektrischer Strom zur Erzeugung von Wasserstoff per Elektrolyse genutzt. Durch die Kombination von Elektrizität, Wasserstoff und atmosphärischem CO2 kann ein sehr hoher Flächenertrag an Protein erzielt werden, ohne landwirtschaftliche Nutzfläche oder große Mengen Süßwasser zu benötigen.
Für den Einsatz im Weltraum sind neben der biologischen Funktionalität auch Parameter wie Energieeffizienz, Volumen, Masse, Systemzuverlässigkeit und die Möglichkeit zur Automatisierung entscheidend. Das Konzept von Solein verspricht ein vergleichsweise kompaktes System: ein bioreaktives Kernmodul, gekoppelt an Energiesysteme (z. B. Solarzellen), Elektrolyseure zur Wasserstoffproduktion und Sensorik zur Prozessüberwachung. Solche Systeme stellen eine potenzielle Ergänzung oder Alternative zu traditionellen auf Pflanzen basierenden Bioregenerationssystemen dar.
Warum Urin der Besatzung wichtig ist — Ammoniak durch Harnstoff ersetzen
Auf der Erde verwendet der Fermentationsprozess üblicherweise Ammoniak als Stickstoffquelle, die Mikroben für den Aufbau von Aminosäuren und Proteinen benötigen. Im Weltraum ist die Logistik von Ammoniak jedoch kompliziert: Ammoniak ist toxisch, erfordert spezielle Lagerung und Sicherheitsmaßnahmen und erhöht die Masse und Komplexität der Versorgungsketten. HOBI-WAN passt diesen Schritt an, indem es Ammoniak durch Harnstoff ersetzt — eine organische Stickstoffverbindung, die in Harn vorkommt und bei Besatzungsmissionen reichlich anfällt.
Harnstoff kann in einer geschlossenen Lebensumgebung relativ leicht gesammelt und mechanisch vorverarbeitet werden. Mikroorganismen können Harnstoff direkt oder nach enzymatischer Umwandlung in Ammonium nutzen; enzymatische Harnstoffspaltung (zum Beispiel durch Urease) liefert die für die Biosynthese notwendigen anorganischen Stickstoffformen. Die Schlüsselidee ist, dass in der Schwerelosigkeit das Recycling von Harnstoff aus Crew‑Abfällen in den Fermentationskreislauf den benötigten Stickstoff für die Synthese von Aminosäuren und das Wachstum proteinreicher Biomasse bereitstellt.
Die praktische Umsetzung erfordert jedoch mehrere technische Schritte: Vorbehandlung zur Entfernung potentieller Kontaminanten wie Medikamentenrückständen, Schwermetallen oder organischen Schadstoffen; sichere Handhabung und Sterilisation; sowie präzise Dosierung des Stickstoffs im Reaktor, um Nährstoffungleichgewichte zu vermeiden. Zudem sind mikrobiologische Sicherheitskonzepte notwendig, damit sich keine unerwünschten Keime im Kreislauf etablieren und die Lebensraumumgebung der Crew nicht gefährden.
Missionsplan: Systementwicklung und Test an der ISS
Solar Foods und OHB System AG, der Hauptauftragnehmer des Projekts, werden in den nächsten acht Monaten Hardware und Prozesse am Boden entwickeln, die flugtauglich sind. Dazu gehören die Konstruktion eines gekapselten Bioreaktors, Sensorik für pH‑, Redox‑ und Gasanalysen, Systeme zur Wasserstofferzeugung und -zufuhr, Sicherheitsmechanismen gegen Leckagen sowie Interfaces zur Integration in existierende Module der Internationalen Raumstation (ISS).
Wenn die Bodentests erfolgreich verlaufen, ist das Ziel, einen Prototypen zur ISS zu transportieren und dort eine Demonstration im Orbit durchzuführen. Diese In‑Orbit‑Versuche würden mehrere Schlüsselfragen klären: Wie verhalten sich die hydrogenoxidierenden Bakterien unter Mikrogravitationsbedingungen? Funktioniert die Harnstoff‑gefütterte Fermentation zuverlässig und reproduzierbar? Welche Effekte hat die reduzierte Schwerkraft auf Stofftransport, Schaumbildung, Biofilmbildung und Gasmassenübertragung im Reaktor? Weiterhin wird die chemische, mikrobiologische und ernährungsphysiologische Qualität des erzeugten Solein‑Pulvers geprüft werden müssen.
Die Tests auf der ISS können in mehreren Stufen erfolgen: zunächst überwachte Kurzläufe mit Probeentnahme für analytische Rückführungen auf die Erde, später längere Produktionstests mit In‑Situ‑Analytik und eventuell sensorunterstützter Echtzeit-Steuerung. Wichtige Messgrößen sind Ausbeute (Biomasse pro eingesetztem CO2/H2), Proteinanteil und Aminosäureprofil, Restkontaminanten, sowie Stabilität und Haltbarkeit des getrockneten Produkts. Parallel müssen Sicherheitsbewertungen und Zertifizierungsprozesse für den Verzehr durch Astronauten durchgeführt werden.
Warum das für künftige Erforschung wichtig ist
Man stelle sich ein System vor, das Kabinenluft und Besatzungsabfälle in lagerfähiges Protein umwandelt. Das reduziert die Menge an Nachschub, senkt Missionkosten und erhöht die Resilienz auf langen Missionen. Für Missionen zum Mond oder Mars, bei denen Nachlieferungen Monate oder Jahre dauern — oder gar unmöglich sind —, bietet eine in-situ‑Produktion von Nahrungsbestandteilen einen strategischen Vorteil: weniger Abhängigkeit von Versorgungsketten, mehr Flexibilität beim Missionsdesign und eine größere autonome Lebenerhaltungskapazität.
Über die Raumfahrt hinaus könnte die Technologie Inspiration für terrestrische Anwendungen liefern: nachhaltige Proteinproduktion in Regionen mit begrenzter Ackerfläche oder Süßwasser, Versorgung von stationären Offshore‑Anlagen, Einsatz in urbanen Produktionssettings oder zur Unterstützung humanitärer Logistik in Gebieten mit eingeschränkten Ressourcen. Die Kombination aus niedrigen Land- und Wasseranforderungen, modularer Skalierbarkeit und dem Potential zur Nutzung erneuerbarer Elektrizität macht gasfermentative Systeme besonders interessant für die Dekarbonisierung von Lebensmittelketten.
Darüber hinaus eröffnet die Möglichkeit, Nebenströme wie Urin in nützliche Inputs zu verwandeln, Perspektiven für vollständigere Kreislaufsysteme in Habitaten: Luft‑, Wasser‑ und Nährstoffrecycling könnten synergistisch verbunden werden, wodurch die Infrastruktur für lange Aufenthalte auf Mondbasen, Marsstationen oder orbitalen Habitaten wesentlich effizienter gestaltet werden kann.
Wissenschaftlicher und technischer Kontext
Gasfermentation mit hydrogenoxidierenden Bakterien ist auf der Erde eine etablierte Biotechnologie, doch ihre Anpassung an den Raumfahrtkontext bringt spezifische Herausforderungen mit sich. Ein zentraler Punkt ist das geschlossene Ressourcenmanagement: Wasser, Nährstoffe und Gase müssen in einem hermetisch abgeschlossenen Kreislauf gehandhabt werden, damit kein wertvoller Input verloren geht und keine Kontamination der Lebensumgebung entsteht. Das erfordert robuste Prozessregelung, redundante Sicherheitssysteme und minimalen Wartungsaufwand.
Sterilisation und biologisches Containment sind im Weltraum essentiell. Anders als im offenen Erdbetrieb darf es keine Freisetzung von Mikroorganismen in die Kabinenatmosphäre geben. Daher sind mehrstufige Barrieren, HEPA‑Filtration, Überwachungssysteme für mikrobiologische Marker und validierte Desinfektionsprotokolle notwendig. Außerdem muss das System so ausgelegt sein, dass es auch bei personellen Ausfällen oder teilweisem Systemversagen nicht zur Gefahr für die Crew wird.
Prozesskontrolle in Mikrogravitation fordert eine sorgfältige Betrachtung von Fluiddynamik und Stofftransport: In der Schwerelosigkeit fehlen konvektive Strömungen, die auf der Erde den Massentransfer unterstützen. Das beeinflusst Gas‑Flüssig‑Kontakt, Belüftung, Nährstoffzufuhr und Abfuhr von Stoffwechselprodukten. Technikansätze umfassen mechanische Rührer, gezielte Gasperfusion, Kapillar‑ und Oberflächeneffekte nutzende Geometrien sowie mikrofluidische Regelkreise. Die Vermeidung von Schaumbildung und die Kontrolle von Biofilmen sind weitere kritische Aspekte.
Die Validierung der ernährungsphysiologischen Qualität für den menschlichen Verzehr erfordert umfangreiche Analysen: Aminosäureprofil, Verdaulichkeit, potentielle Allergene oder Toxine sowie sensorische Eigenschaften (Geschmack, Geruch, Textur) müssen geprüft werden. Regulatorische Anforderungen für Lebensmittel, selbst in einem Missionskontext, sind hoch — insbesondere wenn ein Produkt als regelmäßige Nahrungsquelle für Astronauten gedacht ist.
Historisch gesehen hat die Raumfahrt mehrere Ansätze zur Erzeugung von Biomasse untersucht: von Photobioreaktoren mit Algen oder Cyanobakterien bis zu vertikalen Pflanzenanbausystemen und dem europäischen MELiSSA‑Programm (Micro‑Ecological Life Support System Alternative). HOBI‑WAN ergänzt diese Ansätze durch die Fokussierung auf gasfermentative, energiegetriebene Proteinproduktion, die besonders bei begrenzten Flächen- und Wasserressourcen attraktiv ist.
Technologisch gesehen sind mehrere Disziplinen involviert: Mikrobiologie und Bioprozess‑Engineering, Systemintegration und Raumfahrtingenieurwesen, Sicherheits‑ und Risikomanagement sowie Lebensmittelwissenschaft. Die Kombination dieser Expertise soll sicherstellen, dass ein Prototyp nicht nur biologisch funktioniert, sondern auch den strengen Anforderungen an Raumfahrtsysteme genügt.
Abschließend lässt sich sagen: HOBI‑WAN ist ein früher, aber wichtiger Schritt in Richtung geschlossener Lebensunterhaltssysteme, bei denen die Nutzung vor Ort vorhandener Ressourcen (in‑situ resource utilization, ISRU) über Luft und Wasser hinaus auf die eigentliche Nahrungsmittelproduktion ausgeweitet wird. Die technische Machbarkeit, ökonomische Attraktivität und langfristige Robustheit eines solchen Systems werden sich erst durch iterative Tests, streng kontrollierte Analysen und die sukzessive Integration in Missionsarchitekturen zeigen.
Für Forscher, Ingenieure und Entscheidungsträger bietet das Projekt zugleich ein Forschungsfeld mit hohem Innovationspotenzial. Ob Solein oder andere mikrobielle Proteine letztlich Teil der Standardversorgung von Langzeitmissionen werden, hängt von den Ergebnissen geplanter Bodentests und Orbitalexperimente, von Sicherheits- und Qualitätsnachweisen sowie von der wirtschaftlichen Skalierbarkeit ab. Klar ist jedoch: Nachhaltige Proteinproduktion aus Luft, Elektrizität und recycelten Abfallströmen könnte eine Schlüsseltechnologie für autarke, langfristige Raumfahrtmissionen und für nachhaltige Ernährungslösungen auf der Erde werden.
Quelle: smarti
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