Zukünftige langfristige menschliche Missionen zum Mond und Mars, die von der NASA geplant werden, stellen monumentale logistische Herausforderungen dar. Eines der Hauptprobleme ist die Sicherstellung einer angemessenen Ernährung für Astronauten während mehrjähriger Reisen, bei denen der Laderaum begrenzt ist und es keine Versorgungsmöglichkeiten gibt. Vitamine und andere wichtige Nährstoffe haben eine begrenzte Haltbarkeit und verlieren mit der Zeit ihre Wirksamkeit, was bedeutet, dass von der Erde mitgebrachte Vorräte möglicherweise nicht ausreichen oder wirksam sind. Um diese Hürde zu überwinden, entwickeln Wissenschaftler eine revolutionäre Bioproduktionstechnologie – die Herstellung von Nährstoffen nach Bedarf, direkt im Weltraum. Im Mittelpunkt dieser Bemühungen steht eine Reihe von Experimenten namens BioNutrients, die die Fähigkeit von Mikroorganismen testen, zu winzigen, autarken Fabriken für lebenswichtige Verbindungen für die menschliche Gesundheit zu werden.

Mikroskopische Fabriken für die Gesundheit der Astronauten

Der erste Schritt in diesem ehrgeizigen Projekt war das Experiment BioNutrients-1, das bereits im April 2019 zur Internationalen Raumstation (ISS) gestartet wurde. Während der fast sechsjährigen Forschung testeten Astronauten ein System, das auf gentechnisch veränderter Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) basiert, einem Mikroorganismus, der sicher und in der menschlichen Ernährung üblich ist. Wissenschaftler am Ames Research Center der NASA im Silicon Valley entwarfen ein System, in dem dehydrierte Hefe und eine pulverförmige Nahrungsquelle in speziellen Behältern warten. Die Aktivierung ist einfach: Astronauten injizieren steriles Wasser, wodurch der Wachstumsprozess eingeleitet wird. In der flüssigen Umgebung vermehrt sich die Hefe und beginnt wie eine winzige Fabrik, Beta-Carotin und Zeaxanthin zu produzieren. Dies sind starke Antioxidantien, die normalerweise in Gemüse wie Karotten und Spinat vorkommen und für den Schutz der Augen vor Schäden von entscheidender Bedeutung sind, was in der strahlenbelasteten Umgebung des Weltraums besonders wichtig ist.

Die Astronauten konsumierten die produzierten Nährstoffe nicht; stattdessen wurden die Proben nach 48 Stunden Inkubation an einem warmen Ort eingefroren und zur detaillierten Analyse auf die Erde zurückgeschickt. Die Wissenschaftler untersuchten sorgfältig die Effizienz des Systems, die Menge der gewachsenen Hefe und die Konzentration der produzierten Nährstoffe. Eines der Hauptziele von BioNutrients-1 war die Prüfung der langfristigen Lebensfähigkeit. Zu diesem Zweck wurden zwei Arten von Hefe verwendet. Die erste war in der Lage, Sporen zu bilden – eine ruhende, extrem widerstandsfähige Lebensform, die extreme Bedingungen überleben kann, einschließlich hoher Strahlung und langfristiger Lagerung. Es wird erwartet, dass die Sporen mindestens fünf Jahre lebensfähig bleiben könnten, was für Missionen zum Mars entscheidend ist. Die zweite Hefeart befand sich in einer vegetativen, d. h. metabolisch aktiven Form. Obwohl eine kürzere Haltbarkeit erwartet wurde, ist diese Art interessant, da sie bereits kommerziell in probiotischen Nahrungsergänzungsmitteln verwendet wird und ein breiteres Spektrum an Möglichkeiten für zukünftige Modifikationen bietet. Die Analysen der auf die Erde zurückgebrachten Proben zeigten hervorragende Ergebnisse – einige Mikroorganismen blieben auch nach mehr als fünf Jahren im Weltraum aktivierungsfähig, was die Robustheit des Konzepts bestätigte.

Evolution des Experiments: Von starren Behältern zu flexiblen Beuteln

Aufbauend auf den Erfolgen der ersten Phase kam im November 2022 BioNutrients-2 auf der ISS an. Diese Fortsetzung brachte bedeutende Innovationen mit sich, mit dem Ziel, das System für die realen Bedingungen langfristiger Raumflüge zu optimieren. Die größte Veränderung betraf die Hardware. Anstelle von relativ schweren und starren Behältern verwendete BioNutrients-2 leichte, flexible Beutel, ähnlich denen, in denen Astronautennahrung verpackt wird. Diese Neugestaltung reduzierte die Masse und das Volumen des Systems drastisch, wodurch wertvoller Platz frei wurde und die Startkosten gesenkt wurden.

Gleichzeitig wurde auch das „Menü“ der Mikroorganismen erweitert. Zu den beiden Hefearten aus dem ersten Experiment kamen vier neue Kulturen hinzu. Zwei davon waren Bakterien, die zur Joghurtproduktion verwendet werden, eine für Kefir, und die letzte war besonders interessant – eine Hefeart, die biotechnologisch so verändert wurde, dass sie Follistatin produziert. Follistatin ist ein Protein, das eine Schlüsselrolle bei der Erhaltung der Muskelmasse spielt, da es die Wirkung von Myostatin hemmt, einem Protein, das für den Muskelabbau verantwortlich ist. Muskelatrophie ist eines der größten Gesundheitsrisiken für Astronauten in der Schwerelosigkeit, und die Möglichkeit, eine Verbindung herzustellen, die dem direkt im Weltraum entgegenwirken könnte, stellt eine potenzielle Revolution in der Weltraummedizin dar. Im Laufe des Jahres 2023 führte die Besatzung der ISS erfolgreich zwei Zyklen von Experimenten mit diesem neuen System durch und bestätigte dessen Funktionalität und Vielseitigkeit.

Die neueste Phase: Lebensmittelsicherheit und multifunktionale Hefe auf der ISS

Das neueste Kapitel in der BioNutrients-Saga begann kürzlich, im August 2025, mit dem Start des Experiments BioNutrients-3 im Rahmen der Mission SpaceX CRS-33. Diese Phase stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung einer realen Anwendung dar, wobei der Schwerpunkt auf der Lebensmittelsicherheit und einer weiteren Effizienzsteigerung liegt. Die Hardware basiert weiterhin auf flexiblen Beuteln, die jedoch jetzt ein größeres Volumen haben, um die Prüfung von Sicherheitsprotokollen an größeren Proben zu ermöglichen. In dieser Phase werden kommerzielle Starter für Joghurt und Kefir sowie neue, fortschrittliche Hefestämme verwendet, die gentechnisch so verändert wurden, dass sie mehrere verschiedene Nährstoffe in einem einzigen Beutel produzieren. Dies ist ein bedeutender Schritt nach vorn bei der Optimierung des Prozesses.

Eine der interessantesten Innovationen bei BioNutrients-3 ist ein Wachstums-Substrat für die Mikroorganismen, das vollständig essbar ist, obwohl die Astronauten es noch nicht konsumieren werden. Dies ist eine Vorbereitung auf zukünftige Experimente, bei denen die Produkte als tatsächliche Nahrungsquelle getestet werden. Darüber hinaus wurde ein genialer visueller Indikator zur Überwachung der Fermentation eingeführt. Der Mischung wird ein natürlicher Farbstoff aus Rotkohl zugesetzt, der je nach Säuregehalt (pH-Wert) seine Farbe ändert. Wenn die Bakterien während der Joghurt- und Kefir-Fermentation Zucker in Säure umwandeln, ändert die Mischung ihre Farbe von lila nach rosa. Dies ermöglicht den Astronauten eine einfache, visuelle und unmissverständliche Möglichkeit, den Fortschritt des Prozesses ohne komplexe Ausrüstung zu verfolgen.

Innovative Technologien für die Zukunft der Raumfahrt

BioNutrients-3 führt auch mehrere fortschrittliche Technologien ein, die für die Schaffung eines autarken Ernährungssystems entscheidend sind. Eine davon ist die Erprobung einer „elektronischen Nase“ (E-Nose), eines Sensors, der den menschlichen Geruchssinn mit außergewöhnlicher Empfindlichkeit simuliert. Dieses Gerät kann flüchtige organische Verbindungen erkennen, die von Krankheitserregern oder Verderbnisbakterien freigesetzt werden, und bietet so eine schnelle und nicht-invasive Methode zur Überprüfung der Lebensmittelsicherheit. Darüber hinaus werden die Astronauten den Pasteurisierungsprozess mit vorhandener Ausrüstung auf der Station testen – einem Speisenwärmer. Damit wird die Möglichkeit geprüft, verbleibende Mikroorganismen nach Abschluss der Fermentation abzutöten, um das Produkt für eine langfristige Lagerung und den Verzehr sicher zu machen. Schließlich wird auch eine Rekultivierungstechnik demonstriert, bei der ein kleiner Teil des fertigen Joghurts zum Starten einer neuen Charge verwendet wird, ähnlich wie ein Sauerteigstarter gepflegt wird. Die Beherrschung dieser Technik würde bedeuten, dass das System mit minimalen Anfangsvorräten nahezu unbegrenzt aufrechterhalten werden könnte.

Größere Reichweite: Vom Weltraum bis in die entlegensten Winkel der Erde

Obwohl die Technologie hinter dem BioNutrients-Projekt hauptsächlich für die Bedürfnisse von Astronauten entwickelt wurde, hat sie auch auf der Erde ein enormes Potenzial. Die Fähigkeit, frische Nährstoffe und sogar Medikamente nach Bedarf und mit minimaler Infrastruktur herzustellen, könnte das Leben in abgelegenen Gebieten, von Naturkatastrophen betroffenen Zonen oder bei langfristigen Militäroperationen, bei denen die Lieferketten unzuverlässig sind, verändern. Durch die Entwicklung von Mikroorganismen, die lange Phasen der Inaktivität überstehen und dann erfolgreich reaktiviert werden können, öffnet die NASA nicht nur die Tür zur Erforschung des tiefen Weltraums, sondern schafft auch Lösungen, die die Gesundheit und Lebensqualität von Menschen auf unserem gesamten Planeten verbessern könnten.