8 Minutės
Kosminių agentūrų viena iš labiausiai užsitęsusių problemų ilgų misijų metu yra maistas. Paruoštų, iš Žemės atvežtų patiekalų logistika veikia žemoje Žemės orbitoje, tačiau kelionėms į Mėnulį, Marsą ar toliau tokios tiekimo grandinės tampa techniškai nepraktiškos ir ženkliai brangios. Europos kosmoso agentūra (ESA) tiria neįprastą sprendimą — gaminti baltymų miltelius kosmose, naudojant tik orą, elektrą ir įgulos atliekas.
Iš anglies dioksido į baltymus: Solein koncepcija
ESA tyrimų programa Terrae Novae finansuoja projektą, vadinamą HOBI-WAN (Hydrogen-oxidizing Bacteria in Weightlessness as Nutrition). Projekto tikslas — pagaminti tvarų baltymų miltelį pavadinimu Solein, kurį vysto suomių maisto technologijų įmonė Solar Foods. Žemėje Solein gaminamas dujinės fermentacijos procesu: specialios mikrobų kultūros vartotoja anglies dioksidą (CO2) iš oro kartu su vandeniliu ir elektra, o susidariusi baltyminė biomasė džiovinama iki miltelių pavidalo. Ši technologija priskiriama prie naujos kartos alternatyvių baltymų gamybos sprendimų, kurių pagrindinės sąvokos — dujų fermentacija, mikrobiologinė sintezė ir elektros/cheminė sąveika.
Konkrečiai, Solein ir panašūs gaminiai remiasi vandenilį oksiduojančių bakterijų (hydrogen-oxidizing bacteria) gebėjimu fiksuoti anglies dioksidą ir panaudoti vandenilį kaip elektronų donorą. Elektros energija gali būti naudojama vandenilio gamybai (pvz., elektrolizės būdu), todėl sistema teoriškai gali veikti nepriklausomai nuo žemės žemės ūkio išteklių: nereikia ariamojo ploto, gausių kiekių geriamojo vandens ar klimato sąlygų. Tai daro dujinę fermentaciją ir produktus kaip Solein patrauklia alternatyva kaip tvarus baltymų šaltinis ir uždaros grandinės sprendimas kosminėms misijoms.
Be to, Solein pasižymi dideliu baltymų kiekiu, o gamybos procesas leidžia kontroliuoti mikroelementų ir aminorūgščių profilį taip, kad būtų suderinamas su žmogaus mitybos poreikiais. Nors galutinė skonio ir tekstūros adaptacija visada reikalauja papildomų apdorojimo žingsnių, pagrindinė idėja — sukurti ilgai laikomą, maistingą ir meteorologinėms sąlygoms atsparų maisto šaltinį misijoms už žemės ribų — išlieka esminė.
Kodėl astronautų šlapimas svarbus — amonio pakeitimas šlapalu
Žemėje dažnai dujinė fermentacija kaip azoto šaltinis naudoja amonį (amoniakas arba jo druskos), kuris bakterijoms suteikia reikalingą azotą baltymų sintezei. Tačiau kosmose amonio logistiką apsunkina saugumo, laikymo ir transportavimo reikalavimai: amoniakas yra toksiškas, korozinis ir sunkiai valdomas uždaroje erdvėje. Projekto HOBI-WAN sprendimas — amonį pakeisti šlapalu (urea / šlapalas), kuris yra organinis azoto junginys gausus žmogaus šlapime ir kitose įgulos atliekuose.
Praktinė reikšmė tokios substitucijos yra didelė: jei šlapalas gali būti saugiai išskirtas, koncentruotas ir įvestas į fermentacijos cirkuliaciją, jis taps vietiniu azoto šaltiniu mikroorganizmams, leidžiant jiems sintezuoti aminorūgštis ir auginti baltyminę biomasę. Tai reiškia, kad kabinos oras (CO2), elektra ir perdirbtas šlapalas galėtų tapti pagrindine žaliava maisto gamybai už Žemės ribų — iš esmės uždaro ciklo sprendimu, kuriame atliekos virsta maistu.
Techniniai sprendimai gali apimti kelis etapus: šlapimo surinkimą ir pradinių priemaišų pašalinimą, šlapalo koncentravimą, sterilizaciją ar biologinį apdorojimą, ir tolesnį įvedimą į fermentorių. Vienas iš variantų — šlapalo skaidymas iki amoniako naudojant ureazę arba kitas biochemines reakcijas, tačiau HOBI-WAN vertina tiesioginį šlapalo naudojimą kaip saugesnį ir logistiškai paprastesnį sprendimą. Reikšmingas iššūkis — užtikrinti, kad šlapalo kilmė iš atliekų neįneštų pavojingų patogenų ar toksiškų metabolitų į maisto gamybos grandinę; tam būtini patikimi sterilizacijos ir kontrolės mechanizmai.
Be to, šlapalo perdirbimas prisideda prie uždaro gyvybės palaikymo sistemų (closed-loop life support), kurių tikslas — maksimaliai sumažinti papildomų išteklių poreikį ir padidinti astronautų nutrūktgalviškumą. Tokios technologijos susieja vandens perdirbimą, oro valymą ir maisto gamybą į vieną integruotą sistemą, kur atliekos perdirbamos iki pakartotinio panaudojimo maisto, vandens ar energetinių išteklių pavidalu.
Misijos planas: sistemos kūrimas ir bandymai ISS
Solar Foods ir OHB System AG, projekto pagrindinis rangovas, artimiausius aštuonis mėnesius skirs erdvės tinkamų aparatūros sprendimų ir procesų kūrimui ant žemės. Tai apims tiek biologinius bandymus laboratorijose, tiek mechaninių elementų — fermentorių, filtrų, vamzdynų ir valdymo elektronikos — konstravimą bei sertifikavimą. Žemės bandymų etapų tikslas — sukurti modulį, kuris atitiktų kosminio skrydžio reikalavimus: mažą masę, gerą energetinį efektyvumą, hermetiškumą, saugos sistemas ir galimybę integruotis su Tarptautinės kosminės stoties (ISS) infrastruktūra.
Jeigu žemės bandymai patvirtins reikalavimus ir praeis saugumo vertinimus, numatoma paleisti prototipo modulį į Žemės orbitą ir įrengti jį ISS in-orbit demonstracijai. Tokia orbita leidžia atlikti realius mikrogravitacijos sąlygų testus, kurių metu bus vertinamas keletas svarbių parametrų: mikroorganizmų elgsena svorio stoka; dujų mainai ir masių pernaša fermentoriuje; biofilmo susidarymas ant paviršių; šlapalo įvedimo patikimumas; fermentacijos produktyvumas ir stabilumas; gauto Solein miltelių maistinės vertės bei saugos rodikliai.
Teste bus reikalingi griežti analizės protokolai: reguliari mikrobiologinė kontrolė, cheminiai tyrimai dėl nepageidaujamų metabolitų, aminorūgščių ir mineralų profilis, taip pat maistinės vertės ir laikymo stabilumo tyrimai. Saugumas išlieka esminis — bet kokia medžiaga, skirta žmogaus vartojimui erdvėje, turi atitikti tarptautinius maisto saugos standartus ir kosminių agentūrų vidaus reikalavimus. Bandymų metu taip pat bus vertinami ergonominiai aspektai: kaip astronautai manipuliuoja medžiagomis, kiek operatorių laiko reikia priežiūrai, ir ar sistema gali veikti automatiškai su minimalia įgulos intervencija.
Praktinis išbandymas ISS suteiks ir neįkainojamų žinių apie sistemos gedimų režimus bei remonto procedūras. Tai svarbu kuriant modulį, kuris vėliau galėtų būti naudojamas tolimose misijose, kur pagalba iš Žemės gali būti ribota arba vėluoti. Tokios lauko bandymų ataskaitos taip pat prisidės prie reguliavimo dokumentacijos ir galimų sertifikatų gavimo civilinėse rinkose, jei technologija bus plėtojama ir komerciškai pritaikoma Žemėje.
Kodėl tai svarbu būsimiems tyrinėjimams
Įsivaizduokite sistemą, kuri kabinos orą ir įgulos atliekas paverčia ilgai laikomu, maistingu baltymų produktu. Toks sprendimas radikaliai sumažintų papildomų atsargų masę ir tūrį, sumažintų misijų logistikos sudėtingumą, mažintų sąnaudas ir didintų ilgų misijų atsparumą (resilience). Sumažinant priklausomybę nuo Žemės tiekimo, kosminės misijos taptų labiau savarankiškos — ypač svarbu ekskursijoms į Marsą ar tolimesnes misijas, kur resuppliavimo laikas ir kaina dar labiau padidėja.
Be to, technologija, išvystyta kosminėms reikmėms, turi daug potencialių taikymo sričių Žemėje. Dujinė fermentacija ir baltymų sintezė iš CO2 bei elektros gali būti ypač vertinga regionuose su ribotu žemės naudojimu, mažu vandens kiekiu ar nepalankiomis klimato sąlygomis. Tokie alternatyvūs baltymų šaltiniai gali prisidėti prie maisto saugumo, mažesnės anglies emisijos ir mažesnio ekologinio pėdsako, palyginti su tradicine gyvulinės kilmės produkcija.
Taip pat verta paminėti, kad uždaro ciklo sprendimai gali integruotis su kitomis ISRU (in-situ resource utilization) technologijomis — pavyzdžiui, vietinių vandens šaltinių išgaunamu vandeniliu ar regeneruotu anglies dioksidu iš kabinos atmosferos. Toks sistemų derinys gali tapti kertiniu akmeniu ilgalaikėms kolonizacijos strategijoms, kur maisto, vandens ir oro gamyba vyksta iš vietinių arba perdirbtų išteklių.
Galiausiai, technologiniai sprendimai, sukurti siekiant perdirbti atliekas į maistą, gali turėti ir socialinį poveikį — pavyzdžiui, mažinant maisto tiekimo priklausomybę nuo globalių tiekimo grandinių, didinant vietinį savarankiškumą ir suteikiant naujų verslo galimybių tvarių baltymų sektoriuje.
Mokslinis ir techninis kontekstas
Dujinė fermentacija su vandenilį oksiduojančiomis bakterijomis yra žinoma ir taikoma technologija Žemėje, tačiau jos adaptacija kosmosui susiduria su specifiniais iššūkiais. Pirmasis iššūkis — uždaras išteklių valdymas: kiekvienas sistemos komponentas privalo veikti efektyviai, o atliekų ir išteklių srautai turi būti gerai suvaldyti, kad nebūtų prarandama vertinga medžiaga. Antrasis — sterilizacija ir biologinė sauga: maisto gamybos moduliai turi užkirsti kelią patogenų plitimui ir užtikrinti, kad galutinis produktas būtų saugus žmogui vartoti.
Trečiasis — procesų valdymas mikrogravitacijoje: mikroorganizmų fiziologija, dujų ir skysčių elgsena, bei masių pernaša reaktoriuose elgiasi kitaip nei normalioje gravitacijoje. Tai reiškia, kad fermentoriai, skirti kosmose veikti, turi turėti specialius dizaino sprendimus — pvz., aktyvų maišymą, mikrokanalų sistemas arba membranines pertvaras, kurios užtikrina tinkamą dujų kontaktą su biomase. Sensoriai ir automatizuotos valdymo sistemos yra būtini, kadangi operatorių laikas kosmose yra brangus ir ribotas.
Ketvirtasis — maistinės vertės ir mitybos validacija: bet kuris naujas baltymų šaltinis turi būti išsamiai ištirtas dėl aminorūgščių profilio, mikroelementų, alergenų ir bet kokių neįprastų metabolitų. Tai ypač svarbu astronautų sveikatai, nes ilgalaikė mityba gali turėti poveikį imunitetui, raumenų masei ir bendrai sveikatos būklei. Todėl HOBI-WAN darbas apima ne tik inžineriją, bet ir maisto mokslo, toksikologijos ir klinikinių tyrimų bendradarbiavimą.
Istoriškai ESA ir NASA plėtojo kitas uždaros grandinės sistemas, tokius kaip MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) ir įvairūs bioreaktoriniai bandymai, kurie tiria mikroorganizmų potencialą perduoti atmosferą, vandenį ir maistines medžiagas. HOBI-WAN papildomai tiria galimybę įtraukti į tą grandinę įgulos atliekas, ypatingai šlapimą, kaip vertingą žaliavą maisto gamybai.
Technologinė pažanga reikalauja tarpdisciplininio požiūrio — biologai, maisto technologai, inžinieriai, skrydžių specialistai ir reguliavimo ekspertai turi dirbti kartu. Sėkmingas HOBI-WAN demonstracinis projektas orbitoje galėtų tapti katalizatoriumi tolesniems tyrimams ir investicijoms į kosminį maisto gamybos sektorių, taip pat paskatinti privačiojo sektoriaus sprendimus tvariems baltymams Žemėje. Ilgalaikė vizija — integruotos, autonomiškos gyvybės palaikymo sistemos, kurios leis žmonėms ilgiau ir saugiau gyventi už Žemės ribų, tuo pačiu mažinant poveikį planetai ir skatinant naują žiedinės ekonomikos modelį.
Šaltinis: smarti
Palikite komentarą