ESA finanziert die Umwandlung von Abfall in eine Ressource für künftige Missionen zum Mond und Mars
Die Europäische Weltraumorganisation hat eine neue Forschungswelle gestartet, die sich auf eines der schwierigsten Probleme des langfristigen Aufenthalts von Menschen außerhalb der Erde konzentriert: wie in geschlossenen Weltraumsystemen fast nichts weggeworfen, sondern Abfall in eine neue Ressource umgewandelt werden kann. Im Mittelpunkt dieses Ansatzes steht die Idee der Kreislaufwirtschaft im Weltraum, also die Entwicklung von Technologien, die in künftigen Basen auf dem Mond, während Reisen zum Mars oder in anderen Langzeitmissionen die Wiederverwendung von Wasser, Luft, Biomasse und Nebenprodukten des menschlichen Aufenthalts ermöglichen würden. Genau deshalb hat die ESA im Rahmen der Kampagne „Sustainable Future: Advancing Circular Life Support Systems“ fünf Aktivitäten ausgewählt, die geschlossene Lebenserhaltungssysteme voranbringen und ihrer praktischen Anwendung näherbringen sollen.
Es handelt sich um Projekte, die über das Discovery-Element der Basic Activities der ESA finanziert werden, ein Programm, das für frühe technologische Reifung und die Erprobung neuer Ideen offen ist. Nach Angaben der ESA wurden Aktivitäten aus Belgien, Luxemburg und Frankreich ausgewählt, und jede befasst sich mit einem anderen Engpass bei der Entwicklung selbsttragender Weltraumhabitate: von der Herstellung von Biokunststoffen aus recyceltem Kohlenstoff und der Verarbeitung schwer abbaubarer Biomasse über die Entwicklung essbarer Verpackungen bis hin zur Verbesserung der Luftqualität und zur Stärkung der Pflanzengesundheit in einem geschlossenen System. In einer Zeit, in der Raumfahrtagenturen und der Privatsektor die menschliche Präsenz jenseits des niedrigen Erdorbits immer ernsthafter planen, gewinnen solche Projekte ein strategisches Gewicht, das weit über bloße Neugier im Labor hinausgeht.
Warum ein geschlossener Kreislauf für Weltraummissionen entscheidend ist
Für kurze Missionen im Orbit ist es möglich, einen großen Teil der Verbrauchsmaterialien von der Erde zu liefern. Doch für Flüge, die Monate oder sogar Jahre dauern würden, wird ein solches Modell zu teuer, logistisch zu komplex und operativ zu riskant. Jedes zusätzliche Kilogramm Wasser, Nahrung, Ersatzmaterialien oder sanitäre Verbrauchsgüter erhöht die Anforderungen der Mission. Deshalb wurde in den vergangenen Jahrzehnten das Konzept regenerativer Lebenserhaltungssysteme entwickelt, in denen Abfall nicht als Problem betrachtet wird, das beseitigt werden muss, sondern als Rohstoff für einen neuen Produktionszyklus.
In diesem Bereich stützt sich die ESA auf das langjährige Projekt MELiSSA, eine Abkürzung für Micro-Ecological Life Support System Alternative. Dieses Programm vereint ein Netzwerk von Forschungseinrichtungen und Industriepartnern mit dem Ziel, ein künstliches Ökosystem zu entwickeln, das mithilfe von Mikroorganismen und Pflanzen Sauerstoff, Wasser und einen Teil der Nahrung regenerieren könnte. Die ESA erklärt, dass das Ziel darin besteht, eine möglichst hohe Effizienz des geschlossenen Kreislaufs zu erreichen, also ein System, das nur minimal von Lieferungen von der Erde abhängt. Die MELiSSA-Pilotanlage arbeitet an der Universitat Autònoma de Barcelona und dient seit Jahren als europäische Plattform zur Erprobung solcher Prozesse unter Bedingungen, die ein geschlossenes Habitat nachahmen.
Trotz der Fortschritte ist das Schließen des Kreislaufs jedoch noch kein gelöstes Problem. ESA-Daten zeigen, dass bestehende Ansätze einen großen Teil der Biomasse in nützliche Produkte umwandeln können, aber nicht alles. Besonders anspruchsvoll sind Bestandteile wie Lignin und andere schwer abbaubare Rückstände pflanzlichen Ursprungs. Hinzu kommt, dass in geschlossenen Räumen, wie sie in lunaren oder marsianischen Habitaten bestehen würden, nicht nur Wasser und Kohlenstoff recycelt werden müssen. Gleichzeitig ist es notwendig, eine sehr hohe Luftqualität aufrechtzuerhalten, die Ansammlung flüchtiger organischer Verbindungen und mikrobiologischer Verunreinigungen zu verhindern und aus jedem Gramm Biomasse möglichst viel funktionalen Wert zu gewinnen. Genau auf diese Punkte richten sich die neuen Aktivitäten, die die ESA im Juli 2024 ausgewählt hat.
Belgische Ansätze: von Abfall zu Kunststoffen und neuen Materialien
Unter den ausgewählten Aktivitäten stechen besonders zwei belgische Projekte des Instituts VITO hervor, die das Problem aus der Perspektive von Materialien und der industriellen Nutzbarkeit von Abfall betrachten. Das erste Projekt konzentriert sich auf das breite Feld der Herstellung von Biopolymeren aus recyceltem Kohlenstoff und Kohlendioxid. Im Mittelpunkt steht der Mikroorganismus
Cupriavidus necator, der für seine Fähigkeit bekannt ist, aus verschiedenen Eingangsströmen nützliche Biopolymere zu erzeugen. Das ESA-Aktivitätenportal gibt an, dass der Einsatz flüchtiger Fettsäuren, Laktat, Ethanol und CO2 als Rohstoffe zur Gewinnung von Materialien wie PHA und PLA geprüft wird.
Solche Polymere sind attraktiv, weil sie in künftigen Weltraumhabitaten gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllen könnten. Möglich wäre die Herstellung von Verpackungen, medizinischen Verbrauchsgütern, Behältern, Schutzkomponenten und sogar Rohmaterial für den 3D-Druck, und das alles ohne ständige Abhängigkeit von Lieferungen von der Erde. Mit anderen Worten: Was heute in einer Mission Abfallkohlenstoff oder ein Nebenprodukt eines biologischen Prozesses ist, könnte im geschlossenen System von morgen zu einem lokalen Material für die Herstellung täglich benötigter Gegenstände werden. Dadurch verringert sich nicht nur die Abfallmenge, sondern auch die Abhängigkeit der Besatzung von der Lieferkette, was für entfernte Missionen einer der wichtigsten Sicherheitsfaktoren ist.
Das zweite VITO-Projekt befasst sich mit einem der hartnäckigsten Probleme innerhalb des MELiSSA-Kreislaufs: lignozellulosehaltiger Biomasse und insbesondere Lignin, einer Fraktion, die sich nur schwer effizient nutzen lässt. Laut der Aktivitätsbeschreibung auf dem ESA-Portal ist das Ziel, reaktive Extrusion einzusetzen, damit Zucker aus Biomasse effizienter vom Lignin getrennt werden können. Dadurch würde sich die Verfügbarkeit von Zucker für mikrobielle Prozesse erhöhen, während das verbleibende Lignin aufhören würde, totes Gewicht im System zu sein. Im Gegenteil: Seine natürlichen Eigenschaften wie Feuerbeständigkeit und die Fähigkeit, UV-Strahlung zu blockieren, eröffnen die Möglichkeit, es als Rohstoff für die Entwicklung spezialisierter Materialien unter außerirdischen Bedingungen zu nutzen.
Für Weltraummissionen ist ein solcher Fortschritt nicht trivial. Wenn aus derselben Menge angebauter Biomasse mehr nutzbare Fraktionen gewonnen werden können, wird das System kompakter, effizienter und widerstandsfähiger. Die ESA gibt an, dass die derzeitigen Umwandlungen in einigen Konfigurationen etwa 70 Prozent der Biomasse erreichen und dass das Ziel neuer Ansätze darin besteht, sich einem deutlich höheren Nutzungsgrad zu nähern. Das bedeutet nicht nur weniger Abfall, sondern auch eine bessere Planung von Masse, Energie und Raum in einem künftigen Habitat.
Spirulina als Nahrung, Verpackung und Rohstoff zur Wiederverwendung
Ein wichtiger Teil der neuen Forschung dreht sich um Mikroalgen, vor allem um den Organismus Limnospira, der der breiten Öffentlichkeit besser als Spirulina bekannt ist. Das luxemburgische Unternehmen Blue Horizon entwickelt dünne essbare Biokunststofffolien auf Basis von Spirulina, und das ESA-Aktivitätenportal gibt an, dass solche Folien zur Verpackung verschiedener Produkte innerhalb eines geschlossenen Systems dienen könnten. Auf den ersten Blick handelt es sich um ein eng begrenztes technologisches Detail, doch in der Praxis ist Verpackung im Weltraum ein sehr sensibles Thema: Sie muss den Inhalt schützen, darf nicht unnötig Abfall erzeugen und sollte idealerweise multifunktional sein.
Gerade deshalb hat die Idee essbarer oder zumindest biologisch leicht integrierbarer Verpackungen einen zusätzlichen Wert. Solche Folien könnten zur Verpackung von Lebensmitteln, zur Unterstützung beim Umgang mit Pulvern und Granulaten und sogar zur Erweiterung der Ernährungsvielfalt der Besatzung dienen, wenn sich das Material als sicher und für den Verzehr geeignet erweist. Blue Horizon untersucht dabei auch, ob Abfall, der beim 3D-Druck thermoplastischer Materialien auf Spirulina-Basis entsteht, erneut zu dünnen Folien verarbeitet werden kann. Dadurch würde sich der Kreislauf weiter schließen: Dieselbe Biomasse wäre Nahrung, Produktionsrohstoff und Verpackungsmaterial, während Rückstände aus einem Prozess zum Input für einen anderen würden.
Dieser Ansatz spiegelt einen breiteren Trend in der Weltraumtechnologie wider: Jede Komponente muss möglichst viele Funktionen haben. Ein Material, das zugleich essbar, leicht zu verarbeiten und für die lokale Produktion geeignet ist, hat einen deutlich höheren Wert als ein Einwegprodukt, das nach dem Gebrauch als inerter Abfall endet. Im lunaren oder marsianischen Kontext, in dem logistische Ressourcen begrenzt sein werden, kann gerade eine solche Mehrfachnutzung von Materialien über die Nachhaltigkeit des gesamten Systems entscheiden.
Saubere Luft ohne schädliche Nebenwirkungen
Geschlossene Weltraumhabitate hängen nicht nur vom Recycling von Wasser und Nahrung ab. Ebenso wichtig ist die Kontrolle der Luft, die Astronauten atmen. Deshalb untersucht Redwire Space im Rahmen des GreenLung-Projekts, ob seine Technologie, die zur Entfernung von Kohlendioxid und flüchtigen organischen Verbindungen entwickelt wurde, auch eine zusätzliche Rolle bei der Entfernung oder Inaktivierung viraler Partikel aus der Luft spielen kann. Laut der ESA-Beschreibung der Aktivität stützt sich das Projekt auf eine Photobioreaktor-Untereinheit und einen Modell-Koliphagen, um die Effizienz der Entfernung und die Verteilung viraler Partikel zu messen.
Eine solche Forschungsrichtung ist besonders wichtig nach den Erfahrungen mit Atemwegsinfektionen und der gestiegenen Sensibilität für Luftqualität in geschlossenen Räumen auf der Erde. In einem Weltraumhabitat ist das Problem noch komplexer, weil die Luft ständig umgewälzt wird und es keinen Raum für Isolation, den Austausch von Ausrüstung oder einfaches Lüften wie auf der Erde gibt. Herkömmliche Reinigungsmethoden können energieintensiv, betrieblich teuer sein oder unerwünschte Nebenprodukte wie Ozon erzeugen. Wenn sich zeigen würde, dass Mikroalgen und damit verbundene Bioreaktorprozesse zu sauberer Luft ohne solche Nachteile beitragen können, wäre das ein wichtiger Schritt hin zu einem natürlicheren und energetisch ausgewogeneren System.
Hier muss betont werden, dass es sich um eine Forschungsphase und nicht um eine fertige Technologie handelt, die für den operativen Einsatz in Missionen bereit ist. Aber genau darin liegt der Wert des Discovery-Programms der ESA: eine Idee in einem Moment zu erkennen, in dem sie noch kein industrieller Standard ist, aber eine völlig neue technologische Richtung eröffnen kann. Im Fall von GreenLung verbindet diese Richtung Lebenserhaltung, Kontaminationskontrolle und biologische Prozesse in einer einzigen Lösung.
Abfallbiomasse als Hilfe beim Pflanzenanbau
Die fünfte ausgewählte Aktivität stammt von der Universität Nantes und geht erneut von Spirulina aus, diesmal jedoch mit Schwerpunkt auf dem Pflanzenanbau. Laut der ESA-Beschreibung des Projekts wollen die Forschenden feststellen, ob rohe oder hydrolysierte Spirulina-Biomasse aus dem MELiSSA-Kreislauf als Mittel zur Biokontrolle und Biostimulation für Kulturen wie Tomaten und Salat wirken kann. Mit anderen Worten: Es wird untersucht, ob ein Reststoff aus einem Teil des lebenserhaltenden Systems in eine Unterstützung für einen anderen Teil desselben Systems verwandelt werden kann, nämlich für den Anbau essbarer Pflanzen.
Wenn sich ein solcher Ansatz als erfolgreich erweisen würde, wäre der Nutzen vielfältig. Erstens würde die Gesamtzirkularität des Systems steigen, weil Biomasse nicht als niedrigwertiger Rest enden würde. Zweitens könnten Pflanzen potenziell zusätzlichen Schutz oder Wachstumsstimulation erhalten, ohne dass separate chemische Inputs erforderlich wären. Drittens könnten die entwickelten Lösungen auch auf der Erde sehr konkrete Anwendungen haben, insbesondere im Bereich der Verwertung industrieller Reststoffe und der Entwicklung einer nachhaltigeren Landwirtschaft.
Gerade diese Zwei-Wege-Logik ist in der Weltraumforschung häufig: Technologien, die für extreme Bedingungen außerhalb der Erde entwickelt wurden, erhalten später oft zivile Anwendungen auf der Erde. Systeme, die sparsam, sicher und geschlossen sein müssen, stehen den Herausforderungen der Kreislaufwirtschaft, der Abfallverringerung und des nachhaltigen Ressourcenmanagements in klassischer Industrie und Landwirtschaft von Natur aus nahe.
Das größere Bild: Nachhaltigkeit im Weltraum ist kein Nebenthema mehr
Obwohl der Begriff der Kreislaufwirtschaft im Weltraum oft mit Orbitalschrott, Satellitenwartung und dem Recycling von Materialien im Orbit verbunden wird, betrachtet die ESA Nachhaltigkeit in den letzten Jahren immer offener auch durch die Lebenssysteme für bemannte Missionen. Das Discovery-Programm erklärt, dass es frühe Forschung und technologische Entwicklung in Bereichen finanziert, in denen offene Innovation Lösungen für künftige europäische Missionen bringen kann. In diesem Rahmen ist die Kampagne zu kreislauforientierten Lebenserhaltungssystemen kein isoliertes Experiment, sondern Teil eines umfassenderen Versuchs, dass Europa eigene technologische Kapazitäten für den langfristigen Aufenthalt des Menschen außerhalb der Erde entwickelt.
Das ist besonders wichtig in einem Moment, in dem internationale Programme zur Rückkehr zum Mond und zur Planung künftiger Marsmissionen nicht mehr nur theoretische Überlegungen sind. Je länger und entfernter die Missionen sind, desto deutlicher wird der Bedarf an geschlossenen Kreisläufen. Es reicht nicht aus, eine Rakete zu haben, die eine Besatzung an ihr Ziel bringen kann; es muss sichergestellt werden, dass diese Besatzung monatelang oder jahrelang mit einem begrenzten Zustrom von Ressourcen, mit minimalem Abfall und maximaler Systemsicherheit leben kann. Genau deshalb werden Forschungen, die auf den ersten Blick eng spezialisiert klingen, wie die Trennung von Lignin oder die Herstellung von Verpackungsfolien aus Spirulina, im Weltraumkontext zu Infrastrukturfragen.
Nach den verfügbaren Informationen sollten die fünf ausgewählten Aktivitäten aus der im Jahr 2024 gestarteten Kampagne ihre Konzepte im Verlauf von etwa 18 Monaten aus einer frühen Phase in Richtung reiferer technologischer Lösungen weiterentwickeln. Das bedeutet, dass bereits von konkreten Ergebnissen im Sinne des Nachweises der Machbarkeit, von Laborbestätigungen und der Festlegung der nächsten Entwicklungsschritte gesprochen werden kann, auch wenn die endgültige Integration in operative Systeme eine langfristige Aufgabe bleibt. In diesem Sinn ist auch die institutionelle Botschaft wichtig: Die ESA investiert in relativ kleine, gezielte Studien, die sehr konkrete Lücken in künftigen geschlossenen Lebenssystemen füllen können.
Was die Erde aus Weltraumlösungen gewinnen könnte
Vielleicht ist der interessanteste Teil dieser Geschichte, dass für den Weltraum entwickelte Technologien nicht zwangsläufig im Weltraum bleiben. Biokunststoffe aus recyceltem Kohlenstoff, eine effizientere Verarbeitung lignozellulosehaltiger Biomasse, natürlichere Luftreinigungssysteme und neue Anwendungen von Algenbiomasse in der Landwirtschaft haben auch in irdischen Industrien potenziellen Wert. In einer Zeit, in der Europa versucht, die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu verringern, organische Abfälle besser zu bewirtschaften und widerstandsfähigere Systeme der Lebensmittelproduktion zu entwickeln, gewinnt solche Forschung zusätzlich an Bedeutung.
Gerade deshalb sollten die neuesten ESA-Projekte nicht nur als exotische Experimente für eine ferne Zukunft betrachtet werden. Sie sind auch ein Test dafür, wie weit Wissenschaft und Industrie bei der Umwandlung von Abfall in eine Ressource in einer Umgebung gehen können, in der es keinen Platz für Verschwendung gibt. Wenn sich diese Logik unter den Bedingungen künftiger Basen auf dem Mond oder während Reisen zum Mars als tragfähig erweist, könnte ihre Anwendung auf der Erde noch einfacher und noch breiter sein. Und das bedeutet, dass die Entwicklung geschlossener Weltraumsysteme nicht mehr nur eine Frage der Weltraumforschung ist, sondern auch ein sehr konkreter Beitrag zu Technologien, die in den kommenden Jahrzehnten beim Ressourcenmanagement und bei der Verringerung von Abfall auch hier auf der Erde helfen könnten.
Quellen:- Europäische Weltraumorganisation (ESA) – offizielle Kampagne zur Suche nach Lösungen für nachhaltiges Leben im Weltraum und geschlossene Lebenserhaltungssysteme (Link)- ESA Discovery – Programmbeschreibung im Rahmen der Basic Activities, mit dem frühe Studien und Technologieentwicklung finanziert werden (Link)- ESA – Überblick über die umgesetzten OSIP-Ideen für 2024, einschließlich der Kampagne „Sustainable Future: Advancing Circular Life Support Systems“ und der ausgewählten Aktivitäten (Link)- Activities Portal – Broad-range biopolymer manufacturing from recycled carbon and CO2, Beschreibung von VITOs Projekt zur Herstellung von Biopolymeren aus recyceltem Kohlenstoff und CO2 (Link)- Activities Portal – Reactive extrusion to maximise lignocellulosic biomass valorization, Beschreibung des Projekts zur effizienteren Trennung von Zucker und Lignin aus Biomasse (Link)- Activities Portal – Limnospira-based edible bioplastic thin films for packaging, Beschreibung des Blue-Horizon-Projekts zu essbaren Biokunststofffolien aus Spirulina (Link)- Activities Portal – Microalgae based GreenLung technology boosts air quality by virus elimination, Beschreibung des Projekts von Redwire Space zur Luftreinigung mithilfe eines Photobioreaktors (Link)- Activities Portal – Investigation of the potential of raw and hydrolysed Spirulina biomass for biocontrol and plant biostimulation, Beschreibung des Projekts der Universität Nantes zur Nutzung von Spirulina-Biomasse für Pflanzenschutz und Wachstumsförderung (Link)- ESA – Überblick über das MELiSSA-Projekt und die Pilotanlage in Barcelona als europäische Plattform für die Entwicklung regenerativer Lebenserhaltungssysteme (Link)- ESA – MELiSSA life support project, breiterer Überblick über die Entwicklung geschlossener Lebenserhaltungssysteme und das Ziel, sich einem selbsttragenden Ökosystem für künftige Missionen anzunähern (Link)
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Erstellungszeitpunkt: 4 Stunden zuvor