Специалисты Университета Пенсильвании разработали технологию переработки твердых человеческих отходов в питательную массу на основе ряда различных съедобных бактерий. Данная инновация может стать одним из ключевых компонентов замкнутой системы жизнеобеспечения, которая необходима для  осуществления длительных космических полетов. В настоящее время используемые на орбитальных станциях и аппаратах системы не являются полностью автономными: они требуют регулярных поставок ресурсов с Земли и транспортировки отходов обратно на планету. Если такая модель допустима для краткосрочных экспедиций, то она становится критическим препятствием для миссий на Луну, Марс или за пределы Солнечной системы, делая реализацию подобных сценариев практически невозможной без перехода к полностью замкнутому циклу обеспечения экипажа.

Перед человечеством сегодня стоит важная задача: создание полностью автономных космических кораблей, в которых люди смогут находиться неограниченное количество времени без вреда для здоровья. Один из компонентов такого корабля — замкнутая система жизнеобеспечения, независимая от поставок с Земли. Необходимо производить продукты на корабле.

Во время межпланетных путешествий важным ресурсом для космонавтов могут стать твёрдые человеческие отходы, и вместо их хранения или сброса учёные из Университета штата Пенсильвания предложили перерабатывать их с помощью микробов, получать питательную массу и использовать её для питания напрямую или для приготовления пищи. Профессор Кристофер Хаус (Christopher House) утверждает, что в итоге продукт будет похож на австралийское блюдо Веджимайт — пасту, которую готовят из остатков пивного сусла и вкусовых добавок.

Чтобы реализовать свою идею на практике, исследователи взяли искусственные твёрдые и жидкие отходы, которые обычно используют в подобных тестах, и поместили их в замкнутую систему в виде цилиндра длиной 1,2 метра и диаметром 10 сантиметров. На изобретение учёных вдохновила конструкция аквариумного фильтра с химической очисткой воды — и компоненты от таких фильтров они использовали, чтобы создать систему для получения метана.

Выбранные учёными микробы разрушали отходы. С помощью метана, который образуется при анаэробном перегнивании, они вырастили бактерию Methylococcus capsulatus. Бактерии Methylococcus capsulatus можно использовать в качестве корма для животных. В её составе — 52% белка и 36% жиров, поэтому она может стать источником питательных веществ для людей.

При переработке человеческих отходов важно устранить все патогенные микробы. Для этого команда повысила pH системы до 11 и обнаружила рост бактерии Halomonas desiderata — она содержит 15% белка и 7% жира. Другой способ — температурная обработка: при повышении температуры до 70 градусов Цельсия начинает расти термофильная бактерия Thermus aquaticus, которая обитает в регионах, где есть гейзеры с температурой выше 55 градусов. В составе этих бактерий — 61% белка и 16% жира. Для сравнения — в 100 граммах куриной грудки 20-25 граммов белка, в стриплойн-стэйке — 23 грамма.

Веджимайт на тостах

Учёным из Университета штата Пеннсильвания за 13 часов испытаний получилось сократить количество твёрдых отходов вдвое. «Представьте, что кто-то сможет с помощью нашей системы перерабатывать 85% углерода и азота из отходов в протеин без использования гидропоники и искусственного света. Это будет фантастическое изобретение для путешествий в дальней космос», — уверен Кристофер Хаус.

Ещё один из родоначальников космических перелётов Константин Циолковский в книге «Вне Земли» о космических колонистах описывал способ создания искусственной гравитации и писал о необходимости растениеводства как в космических аппаратах, так и на других планетах: «Вообразим себе длинную коническую поверхность или воронку, основание или широкое отверстие которой прикрыто прозрачной шаровой поверхностью. Она прямо обращена к Солнцу, а воронка вращается вокруг своей длинной оси (высоты). На непрозрачных внутренних стенках конуса — слой влажной почвы с насаженными в ней растениями».

Рукопись К.Э. Циолковского «Альбом космических путешествий», 1933 год. Источник

В 1970-е годы в СССР начали разработку замкнутой системы «БИОС-3», которая и сегодня продолжает работать. Система способна обеспечить экипаж из двух-трёх человек в течение полугода водой и воздухом почти на 100% а пищей — на 50% и более. Цели Международного центра замкнутых экологических систем — изучить принципы функционирования таких систем различной степени сложности и разработать научные основы их создания.

В 2000-х Институтом медико-биологических проблем РАН провёл серию экспериментов рамках программы «Марс-500»: добровольцы жили до 520 дней в железном контейнере без алкоголя, сигарет, связи с внешним миром, питаясь только «космической» едой, выращивая салат и горох в оранжереях.

Уже сейчас на Международной космической станции система регенерации воды частично замкнутая. Технический руководитель проекта Системы контроля окружающей среды и жизнеобеспечения Международной космической станции (ECLSS) Робин Карраскилло (Robyn Carrasquillo) отмечал важность советских и российских разработок: «Русские опередили нас в этой области, ещё космические аппараты «Салют» и «Мир» были способны конденсировать влагу из воздуха и использовали электролиз – пропускание электрического тока через воду–для производства кислорода».

Уже на станции «Мир», которая проработала 15 лет на орбите и была в 2001 году затоплена в Тихом океане, работала система регенерации воды из мочи «СРВ-У». Только не все космонавты на МКС согласны пить то, что раньше было мочой.

Для любознательных: Космический круговорот: как ученые превращают отходы в пищу для космонавтов

Зачем выращивать еду из отходов?

На Международной космической станции (МКС) вопрос с водой решен давно: система регенерации очищает урину и пот, возвращая их в оборот в виде питьевой воды. Однако с твердыми отходами и углекислым газом ситуация сложнее. Сейчас их частично утилизируют, но для полета на Марс потребуется автономность около 98%. Доставка одного килограмма груза на орбиту стоит тысячи долларов, поэтому замкнутый цикл — единственный способ выжить.

Современные технологии: от CO₂ до протеина

Сегодня инженеры и биологи используют два главных направления для переработки отходов в пищу: физико-химическое и биологическое.

1. Биореакторы на водородных бактериях. Космонавты выдыхают углекислый газ CO₂. С помощью электролиза воды получают водород. Специальные микроорганизмы (водородные бактерии) поглощают водород и углекислый газ, бурно размножаются и формируют биомассу, которая на 60–70% состоит из чистого белка. На вкус это напоминает пресную белковую пасту или дрожжи.
2. Анаэробное сбраживание твердых отходов. Твердые продукты жизнедеятельности человека обрабатываются бактериями-метиногенами. На выходе получается метан. Другие бактерии (метилотрофы) поглощают этот метан и превращают его в насыщенный протеином и жирами корм или пищевую добавку.
3. Гидропоника и аэропоника. Очищенная урина, богатая азотом, фосфором и калием, используется в качестве жидкого удобрения. Ей питают высшие растения (картофель, салат, томаты) и водоросли (хлореллу и спирулину) в космических оранжереях.

Кто занимается разработками в России?

Россия исторически обладает мощной школой создания замкнутых экосистем. Главные игроки в этой сфере:

• Институт медико-биологических проблем РАН (ИМБП РАН, Москва): Главный научный центр страны по космической биологии. Именно здесь разрабатывают оранжереи для МКС (серия «Лада») и изучают, как использовать минерализованные продукты жизнедеятельности для питания растений в космосе.
• Институт биофизики СО РАН (Красноярск): Легендарные создатели наземного комплекса замкнутого жизнеобеспечения БИОС-3. Красноярские ученые — мировые лидеры в замыкании цикла. Они успешно реализовали систему, где до 85% поливных и питательных веществ для внутрисистемных растений получали из переработанных отходов (экипаж сам сжигал и перерабатывал солому и урину для удобрения новых урожаев пшеницы и чуфы).

Кто занимается разработками в мире?

За рубежом акцент смещен в сторону сложных биотехнологий и стартапов, поддерживаемых космическими агентствами.

• Программа MELiSSA (Европейское космическое агентство — ESA): Самый масштабный международный проект по созданию искусственной экосистемы. MELiSSA разделена на 5 «отсеков» (компартментов). В одном отсеке бактерии расщепляют твердые отходы человека, в другом — преобразуют аммиак из мочи в нитраты, в третьем — водоросли и высшие растения поглощают эти нитраты и CO₂, выделяя кислород и еду для экипажа.
• Университет штата Пенсильвания (Penn State, США): Команда профессора Кристофера Хауса по гранту NASA разработала цилиндрический биореактор, который за несколько часов превращает искусственные человеческие экскременты в богатую белком микробную массу (используя бактерию Methylococcus capsulatus). По заявлению ученых, готовый продукт напоминает по текстуре арахисовое масло.
• Стартап Solar Foods (Финляндия): Работает в тесной связке с ESA. Они создали технологию Solein — это желтый порошок-протеин, выращенный из углекислого газа, водорода и питательных солей (которые в космической версии будут извлекаться из урины). Продукт уже получил коммерческое одобрение на Земле как экологически чистая еда.

Перспективы и главные трудности

Основная проблема технологий сегодня — психологический барьер. Космонавтам тяжело принять тот факт, что их обед синтезирован из продуктов жизнедеятельности. Поэтому ученые стараются перерабатывать микробную биомассу в нейтральные порошки, которые затем можно использовать как сырье для космических 3D-принтеров еды, печатающих привычные по форме батончики, пасту или искусственное мясо.

В ближайшие десятилетия, когда начнется строительство лунной базы «Селена» и первые миссии к Марсу, эти технологии станут единственным способом прокормить людей вдали от Земли.