Ruimtevoedsel – Hoe Voeden We De Volgende Golf Pioniers Van De Mensheid?

Een nieuw type ruimteverkenning

Na enkele decennia van stagnatie na de maanlanding, komt er een nieuwe ruimtewedloop op gang. De aanleiding was SpaceX (SPCX ) 's buitengewone succes in het creëren van een herbruikbare raket, waardoor de lanceerkosten naar een baan met een orde van grootte werden verlaagd. Met het nieuwste lanceervoertuig, Starship, dat wordt getest, zouden de kosten nog verder moeten dalen.

Bron: Visual Capitalist

SpaceX is misschien het meest indrukwekkende ruimtebedrijf, maar velen volgen op de hielen – waaronder verschillende Chinese raketbedrijven, zowel privé als staatsgefinancierd.

Tegelijkertijd plannen NASA en haar partners om terug te keren naar de maan en daar een permanente basis te vestigen; China en Rusland hebben ook vergelijkbare ambities. In het komende decennium wil SpaceX de eerste mensen op Mars zien lopen.

Dus het is bijna een gegeven dat we de komende decennia veel meer astronauten zullen zien dan sinds het gouden tijdperk van de ruimteverkenning. In tegenstelling tot de jaren zestig zullen ze in de ruimte leven in verre habitats, niet alleen een paar dagen naar de maan reizen of verblijven in een ruimtestation in een lage baan om de aarde.

Dit betekent meer mensen, verder weg, en in het geval van Mars maandenlange reizen. Dit leidt tot de noodzaak om hen te voorzien van dure verbruiksartikelen. Hierdoor verschuift de economie van het bevoorraden van astronauten naar het ter plaatse produceren van wat ze nodig hebben. 3D‑printen zal waarschijnlijk een grote rol spelen bij het leveren van reserveonderdelen. En voedsel zal ten minste gedeeltelijk ter plaatse moeten worden geteeld.

Naast de kosten zal het ter plaatse telen van vers voedsel ook helpen de astronauten gezond te houden door hoogwaardige vitamine C en antioxidantenrijke voedingsmiddelen te bieden, die nuttig zijn om het gevaar van straling door kosmische stralen en zonnevlammen te verminderen.

Ruimtevoedselprototypes

Dit is geen nieuw concept, en NASA en andere ruimteagentschappen onderzoeken de ideeën al tientallen jaren. Toch betekent het gebrek aan ruimte op het ISS dat tot nu toe alleen het pilotproject en prototype zijn getest, en er zijn geen huidige plannen om een serieuze hoeveelheid voedsel in de ruimte te produceren.

Getest concept #1: Aeroponics plantenteelt

Door planten te laten groeien zonder grond of water, is aeroponics een methode die uniek geschikt lijkt voor gewichtloze omstandigheden zoals ruimtestations, waar vloeistoffen en stof serieuze problemen zijn die kortsluitingen en brand kunnen veroorzaken. Je kunt meer lezen over hoe aeroponics werkt en hoe het al op aarde wordt gebruikt in ons artikel “Aeroponics – Alles wat je moet weten“.

Aeroponics is bijzonder efficiënt in het telen van verse producten in recordtijd en met beperkte ruimte, waardoor het ideaal is voor de krappe omstandigheden van een ruimteschip naar Mars of een baanstation.

Het kan ook zeer energierijke knolgewasen groeien, zoals aardappelen, die gemakkelijk te eten zijn zonder al te complexe bereiding, in tegenstelling tot granen.

Een prototype is al getest op het ISS onder het eXposed Root On‑Orbit Test System (XROOTS) tech demo programma.

Bron: NASA

Vergelijkbare systemen zouden verse producten kunnen verbouwen voor astronauten tijdens lange reizen, zoals de 6‑18 maanden naar Mars (afhankelijk van het voortstuwingssysteem). Deze kunnen onder meer de eerder geteste Veggie (Vegetable Production System), Veggie PONDS en Plant Habitat‑04 (PH‑04) omvatten, die met succes een verscheidenheid aan planten heeft gekweekt, waaronder drie soorten sla, Chinese kool, mizuna‑mosterd, rode Russische boerenkool, zinnia bloemen, tarwe en pepers.

Getest concept #2: Micro‑organismen in canisters

Het Biological Research in Canisters (BRIC) was een programma om de effecten van de ruimte op organismen te bestuderen die klein genoeg zijn om in petrischaaltjes te groeien, zoals gist en microben. Maar een dergelijke kweekmethode zou energie‑rijke substraten van de aarde wegnemen om er iets eetbaars van te maken.

Een bijgewerkte versie, BRIC‑LED, is de nieuwste versie, die extra lichtgevende diodes (LED's) gebruikt om biologie te ondersteunen, zoals planten, mos, algen en cyanobacteriën die licht nodig hebben om hun voedsel te maken. Zonnepanelen of kernreactoren zouden dergelijke LED‑lampen kunnen aandrijven (vergelijkbaar met die in aeroponics) en on‑site voedselproductie mogelijk maken.

Getest concept #3: Opblaasbare ruimte‑kassen

NASA heeft ook het concept van opblaasbare hydroponics‑kassen ontwikkeld, met een prototype van 18 voet lang, 7 voet breed en 3 inch in diameter, getest door het Controlled Environment Agriculture Center van de Universiteit van Arizona.

Bron: Inside Hook

De functie van de opblaasbare kas volgt het principe van hydroponics, iets wat je kunt leren in ons speciale artikel “Hydroponics – Alles wat je moet weten“.

Voor de eerste stappen van de kolonie zouden opvouwbare of opblaasbare kassen waarschijnlijk een goede optie zijn om massa en ruimte in de transportschepen te besparen.

Toekomstige ruimtevoedselssystemen

Er is behoefte om de vraag van voedselproductie in de ruimte te onderscheiden afhankelijk van de omgeving, met de drie belangrijkste mogelijke situaties: ruimtestations/ruimteschepen, maanbasissen en Mars‑basissen.

Dit creëert unieke beperkingen die de mogelijkheden voor voedselsystemen in elke omgeving verschillend zullen vormen.

Baan & Diepe Ruimte

Vanwege de ruimte, maar ook gewichtslimieten (een zwaarder schip zou brandstof verspillen), zullen ruimteschepen en ruimtestations waarschijnlijk niet al hun voedsel verbouwen. Waarschijnlijk zal de bemanning bijvullen wanneer ze in een baan om de aarde zijn. Ze zouden echter een beperkte hoeveelheid vers voedsel kunnen verbouwen, zoals bladgroenten of micro‑algen.

Micro‑algen zouden vooral interessant zijn als blijkt dat de beste manier om de bemanning van een schip dat naar Mars reist te beschermen, een dikke waterlaag is (sommige schattingen geven aan dat een waterlaag van 1 meter diep nodig zou zijn om de bemanning te beschermen tegen kosmische straling en tijdelijke zonnevlammen).

Dus we zouden elke ruimteschip en ruimtestation die Mars omcirkelen kunnen zien uitgerust met een stralingsbeschermingsruimte die veel water gebruikt. Het zou dan logisch zijn om het water ook te gebruiken om voedsel te verbouwen.

Dergelijke systemen zijn al goed begrepen en worden gebruikt voor laboratoriumexperimenten, en projecten zoals BRIC‑LED laten zien hoe ze aan te passen aan ruimte & gewichtloosheid.

Bron: MDPI

Als extra voordeel vereist de beperkte beschikbare lucht ook uitgebreide recycling, waar zuurstofproducerende planten of algen bij kunnen helpen.

Maanbasissen

Dankzij de mogelijkheid om prefab‑modules of materiaal voor 3D‑printen van nabijgelegen aarde mee te nemen, is ruimte veel minder een zorg. Er wordt ook verwacht dat de maan ter plaatse wat water beschikbaar heeft, zodat teelt niet vereist dat er tonnen zware vloeistoffen plus kunstmest meegebracht worden om de teelt in een baan te starten.

Dit maakt het idee van een volledig autonome maanbasis, althans zolang de bevolking in de honderden of duizenden is, levensvatbaar.

Dit zou ook een geweldige testgrond zijn voor alle voedselproductiemethoden die later op Mars nodig zijn. Als, op de een of andere manier, een volledige oogst faalt, zou het geen probleem zijn om noodvoedsel van de aarde, 3 dagen verwijderd, te ontvangen.

Echter, de maan is uniek in sommige opzichten. De nacht kan zeer lang duren, waardoor het idee van koepelvormige kassen die op natuurlijk licht vertrouwen onmogelijk is. Om dezelfde reden zullen kernreactoren waarschijnlijk stroom moeten leveren in plaats van zonnepanelen.

Het heeft ook absoluut geen atmosfeer, waardoor de mogelijkheid om gratis CO₂ te verkrijgen en overtollig zuurstof te balanceren afneemt. Dus elk maansysteem moet een perfect gesloten kringloop zijn.

Echter, de maan heeft zwaartekracht (1/6 van de aarde), waardoor hydroponics of zelfs aquaponics een levensvatbare optie is om gewassen en zelfs vlees aan astronauten te leveren op een minder arbeidsintensieve manier dan aeroponics. Je kunt lezen hoe aquaponics aquacultuur en hydroponics in hetzelfde systeem kan combineren in ons artikel “Aquaponics – Alles wat je moet weten“.

Maanlandbouwscenario's

Verse producten zullen waarschijnlijk lokaal worden geteeld om een vitamine‑ en morele boost aan de astronauten te geven.

Het is nog niet duidelijk wat het grootste deel van de calorieën (eiwitten en koolhydraten) zal zijn. Uiteindelijk zal de economie bepalen of alleen een deel of al het voedsel van de maanbewoners ter plaatse wordt geproduceerd.

• Als het goedkoper is om het in bulk van de aarde te brengen dan enorme teeltfaciliteiten te bouwen, zullen alleen verse producten op de maan worden geteeld.
• Als het daarentegen onbetaalbaar blijkt, kunnen semi‑geautomatiseerde aeroponics‑aardappel-, bonen‑ en graanboerderijen de manier zijn om de operationele kosten van de maanbasissen te verlagen.

Marsbasissen

Mars ligt enorm ver van de aarde. Lokaal voedsel produceren zal zowel een economische noodzaak als een oplossing voor beveiligingsrisico's zijn.

Dit werd briljant geïllustreerd in Andy Weir's boek The Martian, later aangepast tot een film met Matt Damon, waarin een gestrande astronaut zich tot geïmproviseerde aardappelteelt wendt om te overleven. En het grootste gevaar dat hij ondervindt is niet straling, gebrek aan lucht of kou, maar honger.

Bron: Modern Farmer

Het doel van Marsbasissen verschilt ook van dat van de maan. Het uiteindelijke doel is volledige kolonisatie. Dus als een populatie van enkele tientallen tot honderden astronauten tegen hoge kosten vanuit de aarde kan worden onderhouden, kunnen tienduizenden of miljoenen dat nooit.

Dit betekent dat Mars volledig autonoom moet zijn in voedselproductie.

Dezelfde soorten teelt als op de maan zijn mogelijk: grootschalige hydroponics of aquaponics. Maar omdat Mars een atmosfeer heeft en een dag die bijna precies 24 uur duurt, is het ook mogelijk om oppervlaktekassen te bouwen en het CO₂ dat planten nodig hebben uit de dunne atmosfeer te verzamelen terwijl ijs wordt gedolven voor water.

Het is ook zeer waarschijnlijk dat Mars, net als de aarde, lokale afzettingen van fosfor, stikstof en kalium heeft die gedolven kunnen worden en nodig zijn voor intensieve landbouw.

Deze kassen moeten verwarmd, bemest en luchtdicht zijn, maar ze zullen een veel efficiëntere, veerkrachtigere en minder energie‑intensieve teeltmethode bieden.

Mars vruchtbaar maken

Het kan ook de Mars‑landbouw ten goede komen om direct in de bodem te telen, wat minder machines vereist dan hydroponics. Dit zou apparatuur, arbeid en middelen vrijmaken voor andere toepassingen.

Een probleem dat moet worden opgelost is dat de Mars‑bodem (regoliet) rijk is aan waterstofperoxide (H2O2). Deze sterk oxiderende chemische stof kan planten en bacteriën doden, vooral bij de concentraties die op Mars worden aangetroffen.

Gelukkig kan peroxide ook worden gebruikt om zuurstof te produceren. Dit is aangetoond dankzij het Mars Oxygen In‑Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) getest op de Perseverance rover. Dus we kunnen ons gemakkelijk voorstellen dat toekomstige missies het regoliet “delven” om zuurstof voor de astronauten te creëren, evenals voor raketbrandstoffen.

En vervolgens wordt dit bewerkte, peroxide‑vrije reguliet omgezet in vruchtbare grond voor de kassen.

Een andere optie zou kunnen zijn om kunstmatige poelen te creëren, misschien boven kleine kraters, waar algen, zoetwatermosselen en vissen “wild” kunnen groeien met minimaal onderhoud, door simpelweg de koepelvormige kassen warm en luchtdicht te houden.

Andere ruimtevoedseltechnologieën

Tot nu toe hebben we voornamelijk besproken hoe voedsel te telen via aeroponics, hydroponics en aquaponics, evenals afgesloten kassen. Maar andere opties kunnen ook worden onderzocht. Een daarvan is synthetisch voedsel.

In 2021 ontwikkelden Chinese wetenschappers de eerste methode voor de kunstmatige, celvrije synthese van zetmeel (C6H10O5) uit CO2. Aangezien zetmeel het belangrijkste calorische component is van granen zoals rijst, maïs en tarwe, is dit het waard om aandacht aan te besteden. En bovendien bestaat de atmosfeer van Mars voor 95% uit CO2.

Bron: Science.org

Het systeem gebruikte een op zirconium gebaseerd katalysator en behaalde een ongeveer 8,5‑voud hogere synthesesnelheid dan zetmeelsynthese in maïs.

Dus misschien kunnen we ons een geïntegreerde en geautomatiseerde module voorstellen die continu zetmeel synthetiseert, letterlijk uit de lucht. Dit zou de bulk van de calorieën kunnen leveren die nodig zijn voor diervoeder of menselijke basisvoedsel, terwijl traditionele landbouw zich alleen richt op hoogwaardige en vitamine‑rijke voedingsmiddelen.

In elk geval kunnen we ons voorstellen dat dergelijke systemen autonoom opereren voordat een astronaut zelfs op Mars landt, om ter plaatse en vóór een landing een enorme voorraad calorieën te creëren om een scenario zoals in The Martian te vermijden.

Andere opties bestaan ook, met name andere soorten synthetisch voedsel, inclusief eiwitten (zie hieronder Solar Foods's Solein), of in‑laboratorium gekweekt vlees, of vleesvervangers zoals een op schimmels gebaseerd vlees getest op het ISS in 2022, geproduceerd door het bedrijf Nature’s Fynd.

Ruimtevoedselbedrijven

1. Aleph Farms

Aleph Farm heeft de groei bereikt van het eerste gekweekte vlees (steak) experiment in microzwaartekracht aan boord van het ISS tijdens de Rakia-missie. Aangezien elke vorm van veeteelt in de eerste fasen van ruimtekolonisatie onmogelijk kan zijn, zal vlees waarschijnlijk alleen via deze methode worden geproduceerd.

Aangezien het proces al in microzwaartekracht is getest, loopt Aleph Farms voor op de meeste andere laboratorium‑gegroeide vleesbedrijven op de ruimtevoedselmarkt. Israël keurde haar vleesproducten goed voor commercialisatie in 2024.

Het bedrijf werkt ook aan het produceren van slachtvrij collageen, een belangrijk ingrediënt in veel voedsel-, cosmetica‑ en medische producten.

2. Solar Foods

Dit bedrijf streeft ernaar “voedsel uit dunne lucht te produceren”. Het haalde €8 miljoen eind 2023 op om dit doel na te streven.

Het concept is om elektriciteit te gebruiken om water te splitsen in zuurstof en waterstof en de waterstof, evenals atmosferisch CO2 en minerale voedingsstoffen, te gebruiken om micro‑organismen te voeden die een droog poeder van 70 % eiwit produceren.

Gec commercialiseerd onder het merk Solein, kan deze eiwitbron die alle 9 essentiële aminozuren bevat, worden geïntegreerd in andere ingrediënten om een zeer dichte voedingsbron te maken.

Bron: Solar Foods

Het bedrijf richt zich expliciet op de ruimteverkenningsmarkt. Toch voorziet het dat het op de lange termijn ook de voedselproductie op aarde kan revolutioneren, aangezien het een eiwitbron biedt die energie zeer efficiënt in eiwit omzet.

“We voeden de microbe zoals je een plant zou voeden, maar in plaats van water en mest te gebruiken, gebruiken we alleen lucht en elektriciteit. Met ons huidige proces is dit 20 x efficiënter dan fotosynthese (en 200 keer meer dan vlees).”

Solar Foods ontving de eerste goedkeuring voor een nieuw voedsel voor Solein van de Singapore Food Agency (SFA) in september 2022.

Aanpassen voor ruimtevoedsel

Door de geschiedenis heen zijn voedselteelt en voeding gedwongen zich aan te passen aan hun omgeving. Dit gold voor boeren die rijst op terrassen in Azië verbouwden tot de Inuit die bijna uitsluitend op een vleesdieet leunen.

De ruimte zal niet anders zijn, hoewel het de unieke eigenschap heeft dat er absoluut geen natuurlijke vruchtbaarheid of wild ecosysteem is. Dit betekent dat elke voedselproductie in de ruimte volledig afhankelijk zal zijn van machines of ecosystemen die vanaf nul door mensen zijn ontworpen.

Zeer compacte en efficiënte systemen zoals synthetisch voedsel of aeroponics zullen waarschijnlijk domineren in de meest vijandige omgeving, zoals in ruimteschepen of op de luchtloze maan.

Op planeten zoals Mars zou iets dichter bij reguliere landbouw mogelijk kunnen zijn. Natuurlijk zonlicht zou samenwerken met LED‑lampen en ultra‑efficiënte teeltsystemen binnen luchtdichte, verwarmde kassen.

Zoals vaak bij ruimtetechnologieën, kan dit concept ook een enorme impact op aarde hebben. Ons dagelijks leven maakt al gebruik van technologie die oorspronkelijk voor de ruimte is ontwikkeld, zoals waterfilters, microchips, draadloze gereedschappen, krasscherpe lenzen, of rookmelders.

Het is mogelijk dat over een paar decennia synthetisch zetmeel en eiwit, geautomatiseerde aeroponics‑boerderijen, en ultra‑efficiënte kassen die in woestijngebieden en de Arctische regio kunnen worden ingezet, aan deze lijst worden toegevoegd.