Weltraumnahrung – Wie werden wir die nächste Welle von Pionieren der Menschheit ernähren?

Eine neue Art der Weltraumerkundung

Nach mehreren Jahrzehnten der Stagnation nach der Mondlandung heizt sich ein neues Weltraumrennen auf. Der Auslöser war SpaceX’ (SPCX ) außergewöhnlicher Erfolg bei der Entwicklung einer wiederverwendbaren Rakete, der die Startkosten in den Orbit um eine Größenordnung senkte. Da das neueste Trägerraketenfahrzeug Starship getestet wird, sollten die Kosten noch weiter sinken.

Quelle: Visual Capitalist

SpaceX mag das beeindruckendste Raumfahrtunternehmen sein, aber viele folgen ihm – darunter verschiedene chinesische Raketengesellschaften, sowohl privat als auch staatlich gefördert.

Gleichzeitig planen die NASA und ihre Partner, zur Mond zurückzukehren und dort eine permanente Basis zu errichten; China und Russland haben ebenfalls ähnliche Ambitionen. Im nächsten Jahrzehnt beabsichtigt SpaceX, die ersten Menschen auf dem Mars zu sehen.

Daher ist es fast sicher, dass wir in den kommenden Jahrzehnten viel mehr Astronauten sehen werden als seit dem goldenen Zeitalter der Weltraumerkundung. Im Gegensatz zu den 1960er‑Jahren werden sie in fernen Habitaten im Weltraum leben, nicht nur für ein paar Tage zum Mond reisen oder in einer Raumstation in niedriger Erdumlaufbahn verweilen.

Das bedeutet mehr Menschen, weiter entfernt, und im Fall des Mars monatelange Reisen. All dies führt zu einem Bedarf, sie mit zusätzlichen, teuren Verbrauchsgütern zu versorgen. Das verschiebt die Wirtschaftlichkeit der Versorgung der Astronauten hin zur Herstellung dessen, was sie vor Ort benötigen. 3D‑Druck wird wahrscheinlich eine große Rolle bei der Bereitstellung von Ersatzteilen spielen. Und Lebensmittel müssen zumindest teilweise vor Ort angebaut werden.

Abgesehen von den Kosten wird der Anbau frischer Lebensmittel vor Ort auch dazu beitragen, die Astronauten gesund zu halten, indem hochwertige Vitamin‑C‑Quellen und antioxidansreiche Lebensmittel bereitgestellt werden, die das Risiko von Strahlung durch kosmische Strahlen und Sonnenstürme reduzieren.

Weltraumnahrungsprototypen

Dies ist kein neues Konzept, und die NASA sowie andere Raumfahrtbehörden untersuchen die Ideen bereits seit mehreren Jahrzehnten. Dennoch bedeutet der Platzmangel auf der ISS, dass bisher nur das Pilotprojekt und ein Prototyp getestet wurden, und es gibt derzeit keine Pläne, eine ernsthafte Menge an Nahrung im Weltraum zu produzieren.

Getestetes Konzept #1: Aeroponischer Pflanzenanbau

Durch den Anbau von Pflanzen ohne Erde oder Wasser ist die Aeroponik eine Methode, die sich besonders für schwerelose Bedingungen wie in Raumstationen eignet, wo Flüssigkeiten und Staub ernsthafte Probleme darstellen, die Kurzschlüsse und Brände verursachen können. Mehr darüber, wie Aeroponik funktioniert und bereits auf der Erde eingesetzt wird, erfahren Sie in unserem Artikel „Aeroponik – Alles, was Sie wissen müssen“.

Aeroponik ist besonders effizient beim Anbau frischer Produkte in Rekordzeit und mit begrenztem Raum, was sie ideal für die beengten Bedingungen eines Raumschiffs zum Mars oder einer umkreisenden Raumstation macht.

Sie kann auch sehr energiedichte Wurzelgemüse wie Kartoffeln anbauen, die ohne aufwändige Zubereitung leicht zu essen sind, im Gegensatz zu Getreide.

Ein Prototyp wurde bereits auf der ISS im Rahmen des eXposed Root On‑Orbit Test System (XROOTS) Tech‑Demo‑Programms getestet.

Quelle: NASA

Ähnliche Systeme könnten frische Produkte für Astronauten auf langen Reisen, wie den 6‑18 Monaten zum Mars (abhängig vom Antriebssystem), anbauen. Dazu könnten das bereits getestete Veggie (Vegetable Production System), Veggie PONDS und Plant Habitat‑04 (PH‑04) gehören, das erfolgreich eine Vielzahl von Pflanzen angebaut hat, darunter drei Salatsorten, Chinakohl, Mizuna‑Senf, roter russischer Grünkohl, Zinnienblumen, Weizen und Paprika.

Getestetes Konzept #2: Mikroorganismen in Kanistern

Das Programm Biological Research in Canisters (BRIC) untersuchte die Auswirkungen des Weltraums auf Organismen, die klein genug sind, um in Petrischalen zu wachsen, wie Hefe und Mikroben. Aber eine solche Anbaumethode würde energiereiche Substrate von der Erde entziehen, um daraus essbare Produkte herzustellen.

Eine aktualisierte Version, BRIC-LED, ist die neueste Variante, die zusätzlich Leuchtdioden (LEDs) einsetzt, um die Biologie zu unterstützen, wie Pflanzen, Moose, Algen und Cyanobakterien, die Licht benötigen, um ihre Nahrung herzustellen. Solarpaneele oder Kernreaktoren könnten solche LED‑Lampensysteme (ähnlich denen, die in der Aeroponik verwendet werden) mit Strom versorgen und einen Anbau von Nahrung vor Ort ermöglichen.

Getestetes Konzept #3: Aufblasbare Weltraumgewächshäuser

Die NASA hat zudem das Konzept aufblasbarer Hydroponik‑Gewächshäuser entwickelt, wobei ein Prototyp von 18 Fuß Länge, 7 Fuß Breite und 3 Zoll Durchmesser von dem Controlled Environment Agriculture Center der University of Arizona getestet wurde.

Quelle: Inside Hook

Die Funktionsweise des aufblasbaren Gewächshauses folgt dem Prinzip der Hydroponik, das Sie in unserem speziellen Artikel „Hydroponik – Alles, was Sie wissen müssen“ nachlesen können.

Für die ersten Schritte der Kolonie wären zusammenklappbare oder aufblasbare Gewächshäuser wahrscheinlich eine gute Option, um Masse und Platz in den Transportschiffen zu sparen.

Zukünftige Weltraumnahrungssysteme

Es ist notwendig, die Frage des Nahrungsanbaus im Weltraum je nach Umgebung zu unterscheiden, wobei die drei wichtigsten möglichen Situationen Raumstationen/Raumschiffe, Mondbasen und Marsbasen sind.

Dies schafft einzigartige Einschränkungen, die die Möglichkeiten für Nahrungsysteme in jeder Umgebung unterschiedlich prägen werden.

Umlaufbahn & Tiefenraum

Aufgrund des Platzes, aber auch der Gewichtsrestriktionen (ein schwereres Schiff würde Treibstoff verschwenden), werden Raumschiffe und Raumstationen wahrscheinlich nicht ihre gesamte Nahrung anbauen. Wahrscheinlicher ist, dass die Besatzung im Erdorbit Nachschub erhält. Sie könnten jedoch eine begrenzte Menge frischer Lebensmittel wie Blattgemüse oder Mikroalgen anbauen.

Mikroalgen wären besonders interessant, wenn sich herausstellt, dass die beste Methode, die Besatzung eines zum Mars reisenden Schiffs zu schützen, eine dicke Wasserschicht ist (einige Schätzungen gehen davon aus, dass dafür eine ein Meter tiefe Wasserschicht nötig wäre, um die Besatzung vor kosmischer Strahlung und temporären Sonnenstürmen zu schützen).

Daher könnten wir jedes Raumschiff und jede Raumstation, die den Mars umkreisen, mit einem Strahlenschutzraum ausgerüstet sehen, der viel Wasser verwendet. Es wäre dann sinnvoll, das Wasser auch zum Anbau von Nahrung zu nutzen.

Solche Systeme sind bereits gut verstanden und werden für Laborexperimente eingesetzt, und Projekte wie BRIC-LED zeigen, wie man sie an Raum & Schwerelosigkeit anpassen kann.

Quelle: MDPI

Als Bonus erfordert die begrenzte verfügbare Luft ebenfalls umfangreiches Recycling, zu dem sauerstoffproduzierende Pflanzen oder Algen beitragen könnten.

Mondbasen

Dank der Möglichkeit, vorgefertigte Module oder Material für den 3D‑Druck von der nahen Erde zu bringen, ist der Platz viel weniger ein Problem. Auf dem Mond wird zudem erwartet, dass vor Ort etwas Wasser verfügbar ist, sodass der Anbau nicht erfordert, Tonnen schwerer Flüssigkeiten zusätzlich zu Düngemitteln in die Umlaufbahn zu transportieren.

Damit wird die Idee einer vollständig autonomen Mondbasis, zumindest solange die Bevölkerung im Bereich von Hunderten bis Tausenden liegt, realisierbar.

Dies würde sich auch als hervorragende Testumgebung für alle später auf dem Mars erforderlichen Lebensmittelproduktionsmethoden erweisen. Sollte ein kompletter Ernteausfall auftreten, wäre die Notfallnachschubversorgung von der Erde, die nur drei Tage entfernt ist, kein Problem.

Der Mond ist jedoch in mancher Hinsicht einzigartig. Die Nacht kann sehr lange dauern, wodurch die Idee von kuppelförmigen Gewächshäusern, die auf natürliches Licht angewiesen sind, unmöglich wird. Aus demselben Grund werden voraussichtlich Kernreaktoren die Energieversorgung übernehmen müssen, anstatt Solarpaneele.

Er hat zudem überhaupt keine Atmosphäre, was die Möglichkeit reduziert, kostenlos CO₂ zu erhalten und überschüssigen Sauerstoff auszugleichen. Daher muss jedes Mondnahrungssystem ein perfekt geschlossener Kreislauf sein.

Allerdings hat der Mond Schwerkraft (1/6 der Erde), wodurch Hydroponik oder sogar Aquaponik eine praktikable Option ist, um den Astronauten Pflanzen und sogar Fleisch auf weniger arbeitsintensive Weise als Aeroponik zu liefern. Wie Aquaponik Aquakultur und Hydroponik im selben System kombiniert, können Sie in unserem Artikel „Aquaponik – Alles, was Sie wissen müssen“ nachlesen.

Szenarien der Mondlandwirtschaft

Frische Produkte werden wahrscheinlich vor Ort angebaut, um den Astronauten einen Vitamin- und Moralboost zu geben.

Es ist noch nicht klar, was den Großteil der Kalorien (Proteine und Kohlenhydrate) ausmachen wird. Letztlich wird die Wirtschaftlichkeit entscheiden, ob nur ein Teil oder die gesamte Nahrung der Mondbewohner vor Ort produziert wird.

• Wenn es günstiger ist, es in großen Mengen von der Erde zu bringen, als massive Anbauanlagen zu bauen, werden nur frische Produkte auf dem Mond angebaut.
• Alternativ, falls es sich als unerschwinglich erweist, könnten halbautomatisierte Aeroponik‑Betriebe für Kartoffeln, Bohnen und Getreide die Betriebskosten der Mondbasen senken.

Marsbasen

Der Mars ist enorm weit von der Erde entfernt. Die lokale Lebensmittelproduktion wird sowohl eine wirtschaftliche Notwendigkeit als auch eine Lösung für Sicherheitsrisiken sein.

Dies wurde brillant in Andy Weirs Buch „Der Marsianer“ dargestellt, das später zu einem Film mit Matt Damon adaptiert wurde, in dem ein gestrandeter Astronaut auf improvisierten Kartoffelanbau zurückgreift, um zu überleben. Und die größte Gefahr, der er ausgesetzt ist, ist nicht Strahlung, Luftmangel oder Kälte, sondern Hunger.

Quelle: Modern Farmer

Das Ziel von Marsbasen unterscheidet sich ebenfalls von dem des Mondes. Das ultimative Ziel ist eine vollwertige Kolonisation. Wenn also eine Bevölkerung von einigen Dutzend bis Hunderten von Astronauten zu hohen Kosten von der Erde aus versorgt werden könnte, wären Zehntausende oder Millionen niemals machbar.

Das bedeutet, dass der Mars in der Lebensmittelproduktion vollständig autonom sein muss.

Die gleichen Anbaumethoden wie auf dem Mond sind möglich: großflächige Hydroponik oder Aquaponik. Da der Mars jedoch eine Atmosphäre hat und ein Tag fast exakt 24 Stunden dauert, ist es zudem möglich, Oberflächengewächshäuser zu bauen und das für Pflanzen benötigte CO₂ aus der dünnen Atmosphäre zu gewinnen, während Eis für Wasser abgebaut wird.

Es ist ebenfalls sehr wahrscheinlich, dass der Mars, wie die Erde, lokale Vorkommen von Phosphor, Stickstoff und Kalium besitzt, die abgebaut werden können und für intensive Landwirtschaft erforderlich sind.

Diese Gewächshäuser müssen beheizt, gedüngt und luftdicht sein, werden jedoch eine wesentlich effizientere, robustere und weniger energieintensive Anbaumethode bieten.

Den Mars fruchtbar machen

Es könnte der marsianischen Landwirtschaft auch zugutekommen, direkt im Boden zu kultivieren, was weniger Maschinen als Hydroponik erfordert. Dies würde Ausrüstung, Arbeit und Ressourcen für andere Zwecke freisetzen.

Ein zu lösendes Problem ist, dass der Marsboden (Regolith) reich an Wasserstoffperoxid (H2O2) ist. Diese stark oxidierende Chemikalie kann Pflanzen und Bakterien töten, insbesondere bei den auf dem Mars vorkommenden Konzentrationen.

Glücklicherweise kann Peroxid auch zur Sauerstoffproduktion verwendet werden. Dies wurde dank des Mars Oxygen In‑Situ Resource Utilization Experiments (MOXIE), getestet auf dem Perseverance‑Rover, demonstriert. So können wir uns leicht vorstellen, dass zukünftige Missionen Regolith „abbauen“, um Sauerstoff für die Astronauten zu erzeugen, ebenso wie für Raketentreibstoffe.

Und indem man diesen aufbereiteten, peroxidfreien Regolith verwendet, wird er zu fruchtbarem Boden für die Gewächshäuser.

Eine weitere Möglichkeit könnte sein, künstliche Teiche, vielleicht über kleinen Kratern, zu schaffen, in denen Algen, Süßwasserschnecken und Fische „wild“ mit minimaler Wartung wachsen könnten, indem man die Gewächshauskuppeln lediglich warm und luftdicht hält.

Weitere Weltraumnahrungstechnologien

Bisher haben wir hauptsächlich den Anbau von Nahrung durch Aeroponik, Hydroponik und Aquaponik sowie versiegelte Gewächshäuser diskutiert. Aber weitere Optionen könnten ebenfalls untersucht werden. Eine davon ist synthetische Nahrung.

Im Jahr 2021 entwickelten chinesische Wissenschaftler die erste Methode zur künstlichen, zellfreien Synthese von Stärke (C6H10O5) aus CO2. Da Stärke die Hauptkalorienkomponente von Getreide wie Reis, Mais und Weizen ist, verdient dies Aufmerksamkeit. Und die Marsatmosphäre besteht zu 95 % aus CO₂.

Quelle: Science.org

Das System nutzte einen zirkoniumbasierten Katalysator und erreichte eine etwa 8,5‑fach höhere Syntheserate als die Stärkesynthese in Mais.

Vielleicht können wir uns also ein integriertes und automatisiertes Modul vorstellen, das kontinuierlich Stärke synthetisiert, buchstäblich aus dünner Luft. Dies könnte den Großteil der für Tierfutter oder menschliche Grundnahrungsmittel benötigten Kalorien liefern, während die traditionelle Landwirtschaft sich nur auf hochwertige und vitaminreiche Lebensmittel konzentriert.

In jedem Fall können wir uns vorstellen, dass solche Systeme autonom arbeiten, bevor überhaupt ein Astronaut auf dem Mars landet, um vor Ort und vor der Landung einen massiven Kalorienvorrat anzulegen, um ein Szenario wie in „Der Marsianer“ zu vermeiden.

Weitere Optionen existieren ebenfalls, insbesondere andere Arten synthetischer Nahrung, einschließlich Proteinen (siehe unten Solar Foods’ Solein), oder im Labor gezüchtetes Fleisch, oder Fleischersatz wie ein pilzbasiertes Fleisch, das 2022 auf der ISS getestet wurde, produziert von der Firma Nature’s Fynd.

Weltraumnahrungsunternehmen

1. Aleph Farms

Aleph Farm erreichte das Wachstum des ersten kultivierten Fleisch (Steak) Experiments in Mikrogravitation an Bord der ISS während der Rakia-Mission. Da jede Form von Viehzucht in den Anfangsstadien der Weltraumkolonisation möglicherweise unmöglich ist, wird Fleisch wahrscheinlich nur durch diese Methode produziert werden.

Da der Prozess bereits in Mikrogravitation getestet wurde, liegt Aleph Farms den meisten anderen Laborfleischunternehmen im Weltraumnahrungsmarkt voraus. Israel hat seine Fleischprodukte für die Kommerzialisierung im Jahr 2024 zugelassen.

Das Unternehmen arbeitet zudem an der Produktion von schlachtfrei hergestelltes Kollagen, einem Schlüsselbestandteil vieler Lebensmittel, Kosmetika und medizinischer Produkte.

2. Solar Foods

Dieses Unternehmen strebt an, „Nahrung aus dünner Luft zu produzieren“. Es sammelte 8 Millionen € Ende 2023 ein, um dieses Ziel zu verfolgen.

Das Konzept besteht darin, Elektrizität zu nutzen, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten und den Wasserstoff zusammen mit atmosphärischem CO₂ und mineralischen Nährstoffen zu verwenden, um Mikroorganismen zu füttern, die ein Trockenpulver zu 70 % aus Protein erzeugen.

Kommerzialisiert unter der Marke Solein kann diese Proteinquelle, die alle 9 essentiellen Aminosäuren enthält, in andere Zutaten eingearbeitet werden, um eine sehr dichte Nährstoffquelle zu schaffen.

Quelle: Solar Foods

Das Unternehmen richtet sich ausdrücklich an den Markt für Weltraumerkundung. Dennoch sieht es langfristig vor, die Lebensmittelproduktion auf der Erde zu revolutionieren, da es eine Proteinquelle anbietet, die Energie sehr effizient in Protein umwandelt.

“Wir füttern das Mikroorganismus wie man eine Pflanze füttern würde, aber anstatt es zu wässern und zu düngen, verwenden wir lediglich Luft und Strom. Mit unserem aktuellen Prozess ist das 20‑mal effizienter als Photosynthese (und 200‑mal effizienter als Fleisch).”

Solar Foods erhielt im September 2022 die erste Zulassung für neuartige Lebensmittel für Solein von der Singapore Food Agency (SFA).

Anpassung für Weltraumnahrung

Im Laufe der Geschichte mussten Lebensmittelanbau und Ernährung sich an ihre Umgebung anpassen. Das galt sowohl für die Bauern, die in Asien Reis auf Terrassen anbauten, als auch für die Inuit, die fast ausschließlich von einer fleischbasierten Ernährung abhängig waren.

Der Weltraum wird keine Ausnahme sein, obwohl er die einzigartige Eigenschaft hat, keinerlei natürliche Fruchtbarkeit oder wildes Ökosystem zu besitzen. Das bedeutet, dass jede weltraumbasierte Lebensmittelproduktion vollständig von von Menschen von Grund auf entwickelten Maschinen oder Ökosystemen abhängen wird.

Hochkompakte und effiziente Systeme wie synthetische Nahrung oder Aeroponik werden wahrscheinlich in den feindlichsten Umgebungen dominieren, etwa in Raumschiffen oder auf dem luftleeren Mond.

Auf Planeten wie dem Mars könnte etwas, das dem regulären Ackerbau näher kommt, möglich sein. Natürliches Sonnenlicht würde zusammen mit LED‑Lichtern und ultra‑effizienten Anbausystemen in luftdichten, beheizten Gewächshäusern wirken.

Wie bei vielen Raumfahrttechnologien könnte dieses Konzept ebenfalls massive Auswirkungen auf die Erde haben. Unser Alltag nutzt bereits Technologien, die ursprünglich für den Weltraum entwickelt wurden, wie Wasserfilter, Mikrochips, kabellose Werkzeuge, kratzfeste Linsen oder Rauchmelder.

Es ist möglich, dass in einigen Jahrzehnten synthetische Stärke und Protein, automatisierte Aeroponik‑Farmen und ultra‑effiziente Gewächshäuser, die in Wüstenregionen und der Arktis eingesetzt werden können, zu dieser Liste hinzugefügt werden.