10 دقیقه
سازمانهای فضایی با یک مشکل سرسخت در مأموریتهای بلندمدت روبهرو هستند: تأمین غذا. ارسال غذای بستهبندیشده از زمین برای مدار پایین زمین مقرونبهصرفه و ممکن است، اما برای سفر به ماه، مریخ یا فراتر از آن بهسرعت از نظر فنی غیرعملی و بسیار پرهزینه میشود. آژانس فضایی اروپا (ESA) در حال آزمایش راهحل غیرمعمولی است — تولید یک پودرمغذی پروتئینی در فضا با استفاده از تنها هوا، برق و پسماندهای فضانوردان.
From carbon dioxide to protein: the Solein concept
برنامه اکتشافی Terrae Novae آژانس فضایی اروپا پروژهای را حمایت میکند که HOBI-WAN (Hydrogen-oxidizing Bacteria in Weightlessness as Nutrition) نام دارد. هدف تولید یک پودر پروتئینی پایدار به نام Solein است که توسط شرکت فنلاندی فناوری غذایی Solar Foods توسعه یافته است. روی زمین، Solein با فرآیند تخمیر گازی ساخته میشود: میکروبها دیاکسیدکربن موجود در هوا را همراه با هیدروژن و برق مصرف میکنند و این ورودیها را به یک بیوماس غنی از پروتئین تبدیل میکنند که سپس خشک و به پودر تبدیل میشود. این ایده مبتنی بر بیوتکنولوژیهای نوین مانند باکتریهای اکسیدکننده هیدروژن و فرآیندهای تخمیر گازی است که میتواند تولید پروتئین مستقل از کشاورزی سنتی را ممکن سازد و برای بهرهبرداری در فضا مناسب بهنظر میرسد.
Conceptually، فرآیند شامل چند مرحله فنی است: جذب دیاکسیدکربن از هوای کابین، تأمین هیدروژن و انرژی الکتریکی (که میتواند از سلولهای انرژی خورشیدی یا منابع دیگر تأمین شود)، و کنترل زیستی برای رشد میکروارگانیسمهایی که بیوماس پروتئینی تولید میکنند. کنترل پارامترهای زیستی مانند دما، pH، انتقال گاز و مدیریت مواد مغذی در راکتورهای گازی برای دستیابی به عملکرد بالا و کیفیت غذایی مناسب ضروری است. در محیط فضایی، این کنترلها باید بهگونهای طراحی شوند که با محدودیتهای وزن، اندازه و مصرف انرژی سازگار باشند.
Why astronaut urine matters — replacing ammonia with urea
در فرایندهای تخمیر روی زمین معمولاً از آمونیاک بهعنوان منبع نیتروژن برای سنتز پروتئینها استفاده میشود. اما لجستیک تأمین آمونیاک در مأموریتهای فضایی پیچیده و پرهزینه است، و نگهداری و حمل آن خطرات و نیازمندیهای ایمنی خاصی دارد. پروژه HOBI-WAN این گام را با جایگزینی آمونیاک توسط اوره تطبیق میدهد — ترکیب نیتروژنی آلی که در ادرار انسان بهوفور یافت میشود. بازیافت اوره از پسماند خدمه و بازگرداندن آن به چرخه تخمیر میتواند نیتروژن لازم برای میکروبها را تأمین کند تا اسیدهای آمینه را بسازند و بیوماس پروتئینی تولید کنند.
در شرایط میکروگرانش، تبدیل اوره به فرمهای قابلاستفاده برای میکروبها نیازمند مدیریت شیمیایی و بیوشیمیایی دقیق است. این شامل هیدرولیز یا تجزیه بیولوژیک اوره به آمونیاک یا بازهای نیتروژندار دیگر با استفاده از آنزیمها یا فرآیندهای میکروبی مناسب است. توسعه فرایندی که بتواند این تبدیل را در محیط کاملاً بستهٔ کشتی فضایی یا ایستگاه فضایی انجام دهد، مستلزم طراحی سیستمهای جداسازی، خالصسازی و ضدعفونی است تا محصول نهایی مناسب برای مصرف انسانی و فاقد عوامل بیماریزا باشد.
بهطور خلاصه: هوای کابین (CO2)، انرژی الکتریکی و اوره بازیافتی میتوانند بهعنوان مواد اولیهای برای تولید غذا خارج از زمین تبدیل شوند. این رویکرد نشان میدهد چگونه مدیریت چرخه بسته منابع (closed-loop life support) میتواند تا حدی وابستگی به ارسال مکرر محمولههای غذایی از زمین را کاهش دهد.
Mission plan: developing the system and testing on the ISS
شرکت Solar Foods و پیمانکار اصلی پروژه، OHB System AG، هشت ماه آینده را صرف توسعهٔ سختافزار و فرایندهایی در زمین خواهند کرد که با مقررات فضایی و شرایط پرتاب سازگار باشند. این مرحله شامل نمونهسازی سیستمهای مینیاتوری، طراحی راکتورهای بیولوژیک مقاوم در برابر میکروگرانش، سامانههای مدیریت اوره و کنترلهای خودکار است. آزمایشهای زمینی میتواند رفتار میکروارگانیسمها، کارایی تبدیل گاز به بیوماس و فرایندهای خنثیسازی احتمالی را نشان دهد و خطرات بیولوژیکی را کاهش دهد.
در صورتی که آزمایشهای زمین بهخوبی پیش بروند، هدف پرواز یک نمونهٔ آزمایشی به ایستگاه فضایی بینالمللی (ISS) برای اجرای یک نمایش در مدار است. این دموی مداری، چندین جنبهٔ کلیدی را ارزیابی خواهد کرد: رفتار میکروارگانیسمها در شرایط میکروگرانش، قابلیت اعتماد تخمیر با تغذیهٔ مبتنی بر اوره، پایداری سیستمهای کنترل و همچنین کیفیت و ایمنی پودر Solein تولیدشده. آزمایش در ISS همچنین فرصتی فراهم میکند تا اثرات پرتوافکنی و دیگر شرایط ویژهٔ محیطی فضا بر ترکیب تغذیهای و ساختار بیولوژیک محصول بررسی شود.
جنبههای عملیاتی شامل بستهبندی نمونهها، سیستمهای جداسازی و نمونهبرداری، و پروتکلهای زیستحفاظتی برای جلوگیری از آلودگی محیط ایستگاه است. پرسنل ISS و تیمهای پشتیبانی زمینی باید فرایندهای استاندارد عملیاتی (SOP) را برای کار با راکتور زیستی و مدیریت پسماندها دنبال کنند تا هم ایمنی خدمه و هم سلامت سیستم حفظ شود.
Why it matters for future exploration
تصور کنید سیستمی که هوا و پسماند خدمه را به پروتئینی پایدار و قابل نگهداری بر روی قفسه تبدیل میکند. چنین قابلیتی میتواند جرم محمولههای ارسالی را کاهش دهد، هزینهٔ مأموریتها را پایین بیاورد و تابآوری مأموریتهای بلندمدت را افزایش دهد. برای مأموریتهای طولانیمدت به ماه یا مریخ، کاهش وابستگی به ارسال مواد غذایی از زمین یک مزیت حیاتی است: هر کیلوگرم بار غذایی که نتوان از طریق تولید در محل تأمین کرد، به هزینهٔ عظیمی در پرتاب نیاز دارد.
فراتر از اکتشافات عمیق فضا، این فناوری پتانسیل دارد الهامبخش کاربردهای زمینی در حوزه تولید پروتئین پایدار باشد؛ بهویژه در مناطقی که زمین و آب برای کشاورزی محدود است. تولید پروتئین با استفاده از تخمیر گازی میتواند جایگزینی برای منابع پروتئینی مبتنی بر نگرانیهای زیستمحیطی مانند کشتار حیوانات یا تولیدات کشاورزی پرمصرف آب باشد. این رویکرد با کاهش نیاز به زمین کشاورزی و استفادهٔ کارآمد از منابع انرژی تجدیدپذیر، میتواند بخشی از راهحلهای آینده در امنیت غذایی و اقتصاد حلقه بسته (circular economy) باشد.
از منظر استراتژیک، داشتن توان تولید غذای محلی در مأموریتهای فضایی به معنی استقلال بیشتر، پایداری و امکان تحقق مأموریتهای اکتشافی طولانیتر و با مخاطرات کمتر است. همچنین مسیر توسعهٔ فناوریهایی مانند بهرهبرداری از منابع محلی (ISRU)، مدیریت پسماند بیولوژیک و طراحی سامانههای خودتنظیم برای کاربردهای فضایی و زمینی را باز میکند.
Scientific and technical context
تخمیر گازی با استفاده از باکتریهای اکسیدکنندهٔ هیدروژن یک زیستفناوری تثبیتشده روی زمین است، اما تطبیق آن با محیط فضایی چالشهایی دارد: مدیریت منابع در حلقهٔ بسته، استریلسازی، کنترل فرایند در شرایط میکروگرانش و اعتبارسنجی محتوای تغذیهای برای مصرف انسانی. HOBI-WAN یک گام اولیه بهسوی سیستمهای پشتیبان حیات حلقهٔ بسته است که در آنها بهرهبرداری از منابع در محل از هوا و آب فراتر رفته و به تولید واقعی غذا میرسد.
از منظر فنی، چند حوزهٔ کلیدی نیازمند توسعه و ارزیابی دقیق هستند:
- بیولوژی میکروارگانیسم: انتخاب و مهندسی سویههایی که کارایی بالا در تبدیل CO2 و هیدروژن به بیوماس داشته و برای مصرف انسانی ایمن باشند.
- مهندسی راکتور: طراحی راکتورهای گاز-سیال که انتقال گاز مناسب، همگنسازی و کنترل شرایط رشد را در نسبت به ابعاد کوچک و محدودیت انرژی فراهم کنند.
- مدیریت اوره و پسماند: تکنیکهای بیوشیمیایی یا آنزیمی برای تبدیل اوره به فرمهای قابل استفاده بدون تولید محصولات جانبی مضر.
- ایمنی زیستی و کنترل آلودگی: پروتکلهای جداسازی، فیلترسازی و استریلسازی که از انتشار میکروبها یا متابولیتهای ناخواسته به محیط ایستگاه جلوگیری کند.
- تحلیل تغذیهای و تنظیمی: ارزیابی ترکیب اسیدهای آمینه، ویتامینها، مواد معدنی و دیگر عناصر غذایی در پودر Solein برای تضمین اینکه محصول قابلمصرف انسانی و سازگار با مقررات بهداشتی است.
برای مثال، تعیین پروفایل اسیدهای آمینه و بیواکتیویتهٔ بیوماس تولیدی ضرورت دارد تا مشخص شود آیا Solein میتواند بهعنوان یک منبع کامل پروتئین یا مکمل در رژیم فضانوردان بهکار رود. همچنین مطالعات طولانیمدت روی اثربخشی تغذیهای، تحمل گوارشی و احتمال واکنشهای آلرژیک باید انجام شود. استانداردهای ایمنی غذایی بینالمللی و دستورالعملهای ناسا/ESA درباره محصولات تغذیهای در فضا نیز باید رعایت شوند.
از منظر کنترل فرایند، ابزارهای آنلاین و حسگرهای میکروبیولوژیک برای اندازهگیری سرعت رشد، غلظت گازها و پارامترهای کیفیت محصول حیاتی هستند. اتوماسیون و کنترل بازخوردی میتواند به پایداری عملکرد در طول نوسانات محیطی کمک کند و نیاز به دخالت فیزیکی خدمه را کاهش دهد.
در نهایت، یک چشمانداز فنی مطلوب شامل یک ماژول تولید غذا است که بهصورت یکپارچه با سامانههای پشتیبان حیات دیگر مانند بازیافت آب و مدیریت هوا ادغام میشود؛ بهطوری که جریانهای مواد اولیه و پسماند بهینه شده و راندمان کلی سیستم افزایش یابد.
HOBI-WAN تنها یکی از پروژههایی است که مفاهیم ISRU و تولید مواد غذایی در فضا را عملیاتی میکند؛ مشارکتهای بینالمللی، همکاری با شرکتهای خصوصی فناوری غذایی و حمایت از تحقیقات میانرشتهای در زیستفناوری، مهندسی فضایی و علوم تغذیه برای رسیدن به موفقیت ضروری خواهد بود.
جمعبندی: تلاش برای تولید پروتئین در فضا از هوا و اوره یک گام نوآورانه در جهت استقلال غذایی مأموریتهای فضایی است. اگر موفق باشد، این روش میتواند نقش مهمی در مأموریتهای طولانیمدت ایفا کند و راه را برای کاربردهای زمینی پایدار نیز هموار سازد.
منبع: smarti
نظرات
اتو_ر
تو یه ورکشاپ دانشگاه دیدم روشهای تخمیر گازی، کار میکنه اما تو فضا واقعا چالشه، بازیافت اوره جذابه ولی اگه نشه، بختک میشه 😅
داNیکس
خیلی فنی و به درد بخور، ولی باید ببینیم به صورت تجاری هم قابل اتکا میشه یا فقط آزمایشگاهی میمونه.
توربوک
ایدهٔ جالبیه اما یه ذره هم اغراق شده بنظرم. کنترل ایمنی، استریلسازی، تست طولانی مدت لازم داره، و هنوز معلوم نیست طعم و ارزش تغذیهای چطور باشه. اگه اینا حل بشن عالیه ولی تا اون موقع...
روداکس
این واقعاً عملی تو فضا هست؟ کلی سوال فنی دارم، کنترل میکرو ارگانیسم تو میکروگرانش چطوریه
بیونیکس
وای این ایده باورنکردنیه! اگه واقعا اوره از ادرار بتونه تبدیل شه، انقلابِ غذا میشه، ولی سوال امنیت و طعمش چیه؟
ارسال نظر