Was tun, wenn im Weltraum die Nahrung ausgeht? Vielleicht können Sie Asteroiden „essen“!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Earth's Gravity

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die Grenzen des Wissens zu erweitern, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Unbekanntes Gebiet“ gestartet, die einen Überblick über die Erkundungsergebnisse bietet, die die Grenzen im Weltraum, in der Tiefsee, in der Tiefsee und in anderen Bereichen durchbrochen haben. Begeben wir uns auf eine wissenschaftliche Entdeckungsreise und lernen wir die erstaunliche Welt kennen.

Woher bekommen Astronauten ihr Essen?

Derzeit sind langfristige Weltraumreisen für den Menschen noch sehr schwierig. Neben der Tatsache, dass der beengte Raum den Astronauten psychische Schäden zufügen kann, stellt auch die Frage, wie innerhalb der begrenzten Ladekapazität des Raumschiffs ein Gleichgewicht zwischen Personal, Wasser, Luft und Nahrung hergestellt werden kann, ein großes Problem dar.

Wenn diese lebensnotwendigen Substanzen vollständig von der Erde ersetzt werden, würde das nicht nur enorme Kosten verursachen, sondern auch bedeuten, dass wir mit unserer Weltraumforschung nicht weit kommen werden. Einer wissenschaftlichen Studie zufolge beträgt beispielsweise der Nahrungsmittelbedarf von sechs Astronauten auf einer Marsmission 12 Tonnen (ohne das Nettogewicht der Verpackung), und selbst bei SpaceX, wo die Transportkosten niedriger sind, betragen die Kosten pro Kilogramm Nutzlast bis zu 2.720 US-Dollar.

Auch wenn die bemannte Erforschung des Mars mit geringem Aufwand noch möglich ist, werden die Kosten für die Erforschung fernerer Planeten wie Jupiter und Saturn oder sogar des äußeren Sonnensystems in der Zukunft so hoch sein, dass sie völlig unerschwinglich werden und die Verfügbarkeit von Nachschub wird sehr gering sein.

Aus diesem Grund wurde die Forschung nach Weltraumnahrung nie eingestellt. So wurde beispielsweise die Weltraumfarm, die unter den gegenwärtigen Bedingungen am einfachsten umzusetzen ist – der Anbau und die Ernte von Pflanzen direkt in einer Raumstation oder einem Raumschiff – bereits mehrfach in zwei Raumstationen in China und den USA erprobt und im Weltraum eine Vielzahl von Gemüsesorten angebaut. Amerikanische Astronauten haben sogar Gemüse wie Salat, Karotten und Paprika gegessen, das sie im Weltraum angebaut haben.

Gemüseanbau auf Chinas Raumstation

(Fotoquelle: CCTV)

Neben Gemüse versucht man auch, Algen, Pilze, Insekten usw. im Weltraum zu züchten. Allerdings erfordern diese Zucht- oder Pflanzgeräte eine komplexe Konstruktion und langfristige Wartung, um das Ökosystem der Erde zu simulieren, sodass Tiere und Pflanzen in den Geräten normal wachsen können. Darüber hinaus reicht die derzeitige Geräteproduktion bei Weitem nicht aus, wenn wir eine Nahrungsmittelautarkie im Weltraum erreichen wollen. Größe und Anzahl der Geräte müssen erhöht werden, was jedoch zweifellos viel Platz im Raumschiff beanspruchen wird.

Veggie, ein Gemüseanbaugerät auf der Internationalen Raumstation

(Bildnachweis: NASA)

Auf der Internationalen Raumstation angebaute Paprika

(Bildquelle: ISS Research)

Auf der Suche nach einer einfacheren Methode, die Platz und Kosten spart, haben einige Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf Asteroiden gerichtet: Sie gewinnen organisches Material aus Asteroiden und füttern damit nach einer einfachen Verarbeitung Bakterien. Die Bakterien verdauen sie und bilden organische Substanz, die für den Menschen essbar ist.

Kein Scherz, in Asteroiden gibt es organische Stoffe!

Die Menschheit erforscht Asteroiden schon seit Hunderten von Jahren. Obwohl es damals nicht möglich war, Proben direkt von Asteroiden zu gewinnen, hinderte dies sie nicht daran, von selbst zu uns zu gelangen . Jedes Jahr fällt eine große Zahl von Asteroidenfragmenten auf die Erde, die wir Meteoriten nennen. Schätzungen zufolge liegt die Zahl der Meteoriteneinschläge pro Jahr bei bis zu 17.000.

Durch langjährige Forschung haben Wissenschaftler Meteoriten entsprechend ihrer Zusammensetzung in drei Hauptkategorien unterteilt: Steinmeteoriten, Stein-Eisen-Meteoriten und Eisenmeteoriten. Basierend auf der spezifischen Struktur und Zusammensetzung der Meteoriten werden diese drei Hauptkategorien von Meteoriten weiter in weitere Meteoritengruppen unterteilt. Bei den Steinmeteoriten beispielsweise unterscheidet man je nach Aufbau zwischen Chondriten und Achondriten. Als Chondrite bezeichnet man Meteoriten, die kugelförmige Partikel enthalten. Laut Statistik sind 86 % der Meteoriten, die auf die Erde fallen, Chondrite.

Chondren vom Allende-Meteoriten

(Bildquelle: Wikipedia)

Man geht davon aus, dass die Chondren in diesen Meteoriten direkt durch die Abkühlung des Nebelmaterials zu Beginn der Entstehung des Sonnensystems entstanden sind. Nach ihrer Entstehung verbanden sich kleine Chondren zu kleinen Asteroiden, die dann kollidierten und miteinander wuchsen und so die Gesteinsplaneten des heutigen Sonnensystems bildeten. Die Asteroiden, aus denen sich keine Gesteinsplaneten gebildet haben, sind im Asteroidengürtel konzentriert.

Aufgrund des hohen Anteils an Chondriten, die auf die Erde fallen, kann man davon ausgehen, dass die Zusammensetzung der meisten Asteroiden im Asteroidengürtel der von Chondriten ähnelt. Und weil Chondriten zu den ältesten festen Substanzen im Sonnensystem gehören, sind sie für die Erforschung der Frühgeschichte des Sonnensystems von großer Bedeutung. Wissenschaftler sind mit großer Sorgfalt an der Erforschung der Chondriten interessiert und haben ihre Zusammensetzung und Struktur eingehend analysiert.

Sie unterteilten Chondriten in 15 verschiedene Meteoritengruppen (CI, CM, CO, CV, CK, CR, CH, CB, H, L, LL, EH, EL, R und K), wobei diejenigen, die mit C beginnen, als kohlige Chondriten klassifiziert werden. Diese Meteoriten enthalten sehr hohe Konzentrationen organischer Verbindungen und bei manchen Meteoriten kann die organische Substanz etwa 5 % ihres Gewichts ausmachen.

Zu den eingehend untersuchten kohligen Chondriten zählen der Murchison-Meteorit und der Tagish-Lake-Meteorit. Wissenschaftler haben darin eine Vielzahl organischer Stoffe mit kleinen Molekülen entdeckt, darunter Ketone, Alkane, Carbonsäuren, Aminosäuren, Methan und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe. Bei den meisten dieser organischen Stoffe handelt es sich jedoch um organische Stoffe mit großen Molekülen. Die wichtigsten organischen Bestandteile des Murchison-Meteoriten und des Tagish-Lake-Meteoriten sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung: Die wichtigsten organischen Bestandteile des Murchison-Meteoriten und des Tagish-Lake-Meteoriten (Bildquelle: Homemade)

Als diese organischen Substanzen erstmals entdeckt wurden, sorgte dies natürlich weltweit für Jubel und ließ die Menschen glauben, dass es Leben auf anderen Planeten gibt und dass das Leben auf der Erde sogar von anderen Planeten stammt, denn man glaubte damals, dass organische Substanzen nur durch Lebensprozesse entstehen könnten. Doch schon bald zeigten detaillierte Studien, dass durch chemische Reaktionen auch unter natürlichen Bedingungen organische Stoffe entstehen können. Beispielsweise erfordert die Bildung von Aminosäuren nur einige einfache anorganische Substanzen:

Chemische Reaktionsgleichung für die Bildung von Aminosäuren (chemische Formel ganz rechts) aus einfachen anorganischen Substanzen

(Bildquelle: Wikipedia)

Darüber hinaus gibt es noch weitere Hinweise darauf, dass diese organischen Substanzen durch natürliche chemische Reaktionen entstehen: Es gibt Unterschiede in der Molekularstruktur zwischen Meteoriten und denselben organischen Substanzen auf der Erde, und viele sind Isomere (gleiche Molekularformel, unterschiedliche Struktur); Aufgrund der unterschiedlichen Chiralität weisen die organischen Substanzen in Meteoriten sowohl linkshändige als auch rechtshändige Strukturen auf, während die durch Leben auf der Erde gebildeten organischen Substanzen nur linkshändige Strukturen aufweisen.

Schematische Darstellung der Chiralität von Aminosäuren. Ihre Strukturen sind spiegelsymmetrisch, können jedoch nicht durch Translation übereinandergelegt werden.

(Bildquelle: oben Wikipedia, unten Autor)

Und mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie haben Wissenschaftler begonnen, Signale organischer Materie in weit entfernten Nebeln zu entdecken. All dies zeigt, dass organische Materie im Universum weit verbreitet ist. Heute ist die Existenz organischer Materie in Meteoriten und im Universum in der wissenschaftlichen Gemeinschaft allgemein bekannt.

Die Frage ist also: Wie können wir Asteroiden „essen“?

Da es sich bei der in diesen Meteoriten am häufigsten vorkommenden organischen Substanz um großmolekulare organische Stoffe ähnlich wie Plastik handelt, ist es definitiv unrealistisch, sie direkt zu essen. Daher greifen Wissenschaftler auf ein kürzlich durchgeführtes mikrobielles Verarbeitungsexperiment für Kunststoffe zurück. Bei diesem Experiment erhitzten die Leute den Kunststoff (400–900 °C), um ihn zu pyrolysieren. Dabei zerfielen die langkettigen organischen Stoffe in den Makromolekülen und es bildeten sich eine Reihe niedermolekularer Kohlenwasserstoffe. Diese Kohlenwasserstoffe wurden dann mit Bakterien behandelt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Bakterien diese Kohlenwasserstoffe normal verdauen und sich in großer Zahl vermehren konnten.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass Astronauten in Zukunft auch Pyrolyse nutzen werden, um abgebaute Asteroidenmineralien, die reich an kohlenstoffhaltigen Kügelchen sind, zu verarbeiten und diese Substanzen anschließend mithilfe von Bakterien zu verdauen. Da Bakterien extrem schnell wachsen, werden sie den Astronauten kontinuierlich ausreichend Nahrung liefern.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler erst in diesem Jahr durch Experimente herausgefunden, dass einige Bakterien der Familie Pseudomonas, wenn Meteoriten unter sauerstoffarmen Bedingungen direkt zu Pulver zermahlen werden, dieses Meteoritenpulver sogar direkt nutzen können, um lange Zeit zu überleben und sich zu vermehren.

All diese Experimente beweisen, dass die Verwendung von Bakterien zum „Fresser“ von Asteroiden und von Menschen zum Verzehr der von den Bakterien produzierten Biomasse eine vielversprechende Lösung für die Weltraumnahrung sein könnte.

**Um herauszufinden, wie viel organische Materie Asteroiden liefern können, berechneten Wissenschaftler als Beispiel den Asteroiden Bennu (101955 Bennu). **Bennu ist einer der beiden Asteroiden, auf denen Menschen gelandet sind und Proben geborgen haben. Der andere ist Ryugu (162173 Ryugu). Bennu hat einen Durchmesser von weniger als 500 Metern, eine Masse von 77,6 Millionen und seine Zusammensetzung ähnelt der von kohligen Chondriten.

Asteroid Bennu

(Bildquelle: Wikipedia)

Nach Berechnungen stellten sie fest, dass die vom Asteroiden Bennu allein produzierte Biomasse unter den Bedingungen der niedrigsten Effizienz ausreicht, um 631 Astronauten ein Jahr lang zu ernähren, und unter den Bedingungen der höchsten Effizienz ausreicht, um 17.000 Astronauten ein Jahr lang zu ernähren.

Nach der Umstellung stellten die Wissenschaftler fest, dass im Szenario mit der geringsten Effizienz etwa 160.000 Tonnen Asteroidenmineralien verarbeitet werden müssten, um den Nahrungsbedarf eines Astronauten für ein Jahr zu decken. Im Szenario mit der höchsten Effizienz müssten lediglich 5.000 Tonnen Asteroidenmineralien verarbeitet werden.

Die minimale (orangefarbene Box) und maximale (rote Box) Nahrungsmenge, die der Asteroid Bennu liefern kann, berechnet

(Bildquelle: Referenz 1)

Obwohl diese Forschung vielversprechend erscheint, wäre es nicht ein wenig tragisch, wenn zukünftige Astronauten bei Langzeitmissionen tatsächlich von Bakterien überleben müssten?

Weitere Erkundungen sind in Zukunft erforderlich

Die Entdeckung des potenziellen Werts von Asteroiden als Nahrungsquelle für zukünftige Astronauten stellt nicht nur eine Innovation im traditionellen Weltraumnahrungsversorgungssystem dar, sondern auch einen wichtigen Schritt für die Menschheit, um sich an extreme Umgebungen anzupassen und den Traum von interstellaren Reisen zu verwirklichen.

Natürlich ist die Umwandlung von Asteroiden in Nahrungsquellen noch immer mit zahlreichen technischen Herausforderungen und ethischen Überlegungen verbunden. Lassen Sie uns diesen Weg der Weltraumforschung voller Unbekanntem und Wunder mit offenem Geist und unermüdlichem Einsatz fortsetzen. Vielleicht werden Asteroiden in naher Zukunft nicht mehr nur einsame Reisende im Universum sein, sondern enge Partner der Menschheit bei der Erforschung des Universums.

Quellen:

1.Pilles E, Nicklin RI, Pearce J M. Wie wir Asteroiden nach Weltraumnahrung abbauen können[J]. Internationales Journal für Astrobiologie, 2024, 23: e16.