Menselijk afval kan ooit een waardevolle hulpbron zijn voor astronauten op deep-space-missies. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van Penn State heeft aangetoond dat het mogelijk is om snel vast en vloeibaar afval af te breken om voedsel te verbouwen met een reeks microbiële reactoren, terwijl tegelijkertijd de groei van pathogenen wordt geminimaliseerd.

"We hebben het concept voor ogen en getest om gelijktijdig het afval van astronauten te behandelen met microben en tegelijkertijd een biomassa te produceren die direct of indirect eetbaar is, afhankelijk van veiligheidsoverwegingen, " zei Christoffelhuis, hoogleraar geowetenschappen, Penn State. "Het is een beetje vreemd, maar het concept zou een beetje lijken op Marmite of Vegemite, waar je een uitstrijkje van 'microbiële goo' eet. "

De studie van de onderzoekers gaat in op meerdere uitdagingen waarmee deep-space-missies naar Mars of daarbuiten worden geconfronteerd, wat waarschijnlijk maanden of jaren zou duren. Het meenemen van voldoende voedsel van de aarde neemt volume in beslag en verhoogt de massa- en brandstofkosten van het ruimtevaartuig, terwijl het onderweg telen van voedsel met behulp van hydrocultuur of andere methoden een energie- en waterintensief proces zou zijn dat waardevolle ruimte in beslag neemt.

Om hun idee te testen, de onderzoekers gebruikten kunstmatig vast en vloeibaar afval dat vaak wordt gebruikt in tests voor afvalbeheer. Ze creëerden een gesloten, cilindrisch systeem, vier voet lang en vier duim in diameter, waarbij geselecteerde microben in contact kwamen met het afval. De microben breken afval af met behulp van anaerobe vergisting, een proces vergelijkbaar met de manier waarop mensen voedsel verteren.

"Anaërobe vergisting is iets dat we op aarde vaak gebruiken voor het verwerken van afval, " zei House. "Het is een efficiënte manier om massa behandeld en gerecycled te krijgen. Wat nieuw was aan ons werk, was dat we de voedingsstoffen uit die stroom haalden en ze opzettelijk in een microbiële reactor stopten om voedsel te verbouwen."

Het team ontdekte dat methaan gemakkelijk werd geproduceerd tijdens anaërobe vertering van menselijk afval en kon worden gebruikt om een ​​andere microbe te laten groeien, Methylococcus capsulatus, dat tegenwoordig als veevoer wordt gebruikt. Het team concludeerde dat dergelijke microbiële groei kan worden gebruikt om voedzaam voedsel te produceren voor diepe ruimtevluchten. zij rapporteerden in Life Sciences in ruimteonderzoek dat ze M. capsulatus kweekten, dat was 52 procent eiwit en 36 procent vet, waardoor het een potentiële voedingsbron voor astronauten is.

Omdat ziekteverwekkers ook een probleem vormen bij het kweken van microben in een afgesloten, vochtige ruimte, het team bestudeerde manieren om microben te kweken in een alkalische omgeving of een omgeving met veel warmte. Ze verhoogden de pH van het systeem tot 11 en waren verrast toen ze een stam van de bacterie Halomonas desiderata vonden die kon gedijen. Het team ontdekte dat deze bacterie 15 procent eiwit en 7 procent vet was. Bij 158 graden Fahrenheit, die de meeste ziekteverwekkers doodt, ze kweekten de eetbare Thermus aquaticus, die voor 61 procent uit eiwitten en voor 16 procent uit vetten bestond.

"We hebben ook dramatische veranderingen onderzocht in de hoeveelheid afval die werd geproduceerd, bijvoorbeeld, als het ruimtevaartuig een grotere lading had dan normaal, en het systeem paste dat goed aan, " zei Huis.

Het compacte ontwerp van het team is geïnspireerd op aquaria, die een filter met vaste film gebruiken om visafval te behandelen. Deze filters maken gebruik van een speciaal ontworpen, met bacteriën bedekt foliemateriaal met groot oppervlak.

"We gebruikten materialen uit de commerciële aquariumindustrie, maar pasten ze aan voor de productie van methaan, " zei House. "Op het oppervlak van het materiaal bevinden zich microben die vast afval uit de stroom halen en omzetten in vetzuren, die worden omgezet in methaangas door een andere set microben op hetzelfde oppervlak."

Het team verwijderde tijdens hun test 49 tot 59 procent van de vaste stoffen in 13 uur. Dit is veel sneller dan de bestaande afvalverwerking, wat meerdere dagen kan duren. House zei dat hun systeem nog niet klaar is voor toepassing - deze eerste studie onderzocht de verschillende componenten afzonderlijk en niet een volledig geïntegreerd systeem.

"Elk onderdeel is behoorlijk robuust en snel en breekt afval snel af, "zei House. "Daarom kan dit potentieel hebben voor toekomstige ruimtevluchten. Het is sneller dan tomaten of aardappelen telen."

Vandaag, astronauten aan boord van het internationale ruimtestation ISS recyclen een deel van het water uit urine, maar het proces is energie-intensief, zei Huis. Het beheer van vast afval was een grotere hindernis. Dit wordt momenteel in de atmosfeer van de aarde uitgestoten waar het opbrandt.

"Stel je voor dat iemand ons systeem zou verfijnen zodat je 85 procent van de koolstof en stikstof uit afval terug kunt krijgen in eiwitten zonder hydrocultuur of kunstlicht te gebruiken, "zei House. "Dat zou een fantastische ontwikkeling zijn voor verre ruimtereizen."