Zelf lucht maken in de ruimte

Marijn Timmer startte na zijn masterstudie Life Science & Technology aan TU Delft een doctoraat aan Universiteit Antwerpen. In zijn onderzoek, dat onderdeel is van het MELiSSA-Project, zoekt hij naar een manier om stikstofgas en lucht uit urine te halen. Daarmee won hij al de Wetenschapsbattle, een wedstrijd waarin wetenschappers hun ruimteonderzoek uitleggen aan lagereschoolkinderen. Marijn vertelt ons meer over zijn onderzoek als ruimtewetenschapper.

Wat is het MELiSSA-Project?

"Binnen het MELiSSA-Project werkt een grote groep onderzoekers samen om een logistiek probleem in de ruimtevaart op te lossen. Om te overleven hebben we eten, drinken en lucht nodig. En zeker als je langer weg bent van de aarde, is voldoende bevoorrading een noodzaak. Als je dan bedenkt dat een reis naar Mars ongeveer 1000 dagen zou kunnen duren, wordt dat al snel veel bagage die je mee moet nemen."

"Onze oplossing is om de bevoorrading niet meer mee te nemen, maar wel zelf te maken in de raket. Daarom bootsen we de kringlopen en processen van ons ecosysteem op aarde na met bioreactoren. Die proberen we dan zo compact mogelijk te maken zodat ze meekunnen in een raket."

Waarop spitst je je toe in jouw onderzoek?

"Mijn onderzoek binnen het MELiSSA-Project focust op de aanmaak van lucht, en dan vooral stikstofgas. De lucht die wij inademen, bestaat voor ongeveer 80% uit stikstofgas. Maar veel van dat gas lekt weg uit een raket. Omdat een raket zo groot is, krijgen we die nooit volledig luchtdicht, hoe goed we dat ook proberen. Er sijpelt altijd wel een beetje lucht weg, en na een tijdje wordt dat veel. Dat probleem lossen we op door gebruik te maken van bacteriën die afvalstoffen omzetten in lucht. Dat proces wordt nu al gebruikt bij afvalwaterzuivering, maar wij proberen dat toe te passen op de ruimtevaart."

Hoe evolueert dat onderzoek?

"Het MELiSSA-Project is al meer dan 40 jaar aan de gang, maar mijn onderzoek loopt nu bijna twee jaar. In oktober loopt mijn project af en gaan we kijken naar andere toepassingen van die afvalwaterzuiveringsbacteriën. We zijn nu een supercompact systeem aan het maken, dat op een kleine inhoud hetzelfde doet als een afvalwaterzuivering. Ons doel is om dat systeem zo klein mogelijk te houden, zodat de astronauten het mee kunnen nemen in hun raket."

"Na dit onderzoek willen we graag verder ingaan op gedecentraliseerde afvalwaterbehandeling. Normaal wordt ons afvalwater vervoerd naar een centrale behandelingsplaats ver buiten de stad. Wat wij willen doen, is in een gedecentraliseerde behandeling voorzien, bijvoorbeeld in de kelder van een flatgebouw. Zo kan de behandeling van het afvalwater van pakweg 10.000 mensen gebeuren in een flatgebouw in de stad en heb je meteen lokaal, proper water gebruiksklaar. Waterschaarste is een groeiend probleem en dit kan helpen om het waterverbruik lokaler én kostenefficiënter te houden."

Heeft je onderzoek ook al onverwachte resultaten opgeleverd?

"We hadden in het begin van het onderzoek, voor de praktijktesten, een doel gesteld over hoe snel een bepaald volume reactor lucht zou kunnen aanmaken; we noemen dat de verwijderingssnelheid. In de praktijk is gebleken dat we die snelheid drie keer overtroffen hebben. Het gaat dus drie keer sneller dan verwacht. Dat is een heel goed teken, want als iets drie keer sneller gaat, mag je systeem ook drie keer kleiner zijn. Het afgewerkte product zal dus veel compacter kunnen zijn dan we voorzien hadden. Dat is hoopvol. Het vergroot de kans dat het ook echt gebruikt zal worden."

Hangt de hoeveelheid lucht die ontgonnen kan worden, af van het dieet van de ruimtevaarders? 

"Dat is een goede vraag, maar in mijn onderzoek is dat nog niet helemaal duidelijk. Hoeveel en wat je eet, bepaalt wat er uiteindelijk uitkomt. Je hebt natuurlijk wel de voorgeschreven normen door NASA over wat astronauten ten minste binnen moeten krijgen. Met die waarden werken we in onze experimenten."

"Er lopen ondertussen ook pilotonderzoeken van MELiSSA in Spanje waarbij vanuit een soort laboratorium de hele samenwerking wordt getest van alle processen die moeten gebeuren, gekoppeld aan een astronautencompartiment."

Hoe werkt zo’n bioreactor, specifiek dan voor gebruik in de ruimte?

"Een bioreactor is een soort huisje voor bacteriën waarbij wij ervoor zorgen dat ze op de beste manier hun werk kunnen doen. Dat doen we door ze eten (urine of afvalstoffen in dit geval), drinken (water) en lucht (zuurstofgas) te geven. Dat wordt dan constant gemengd zodat alle bacteriën alles krijgen wat ze willen. Eigenlijk is dat ook hoe afvalwaterzuivering werkt. Het vervuilde water loopt binnen in heel grote tanks, wordt daar gemengd met zuurstof en vervolgens eten de bacteriën alles op wat wij niet meer willen."

"In mijn onderzoek proberen we om de bioreactoren zo klein mogelijk te maken. Maar omdat belletjes niet werken in de ruimte bij gebrek aan zwaartekracht, is het moeilijk om de bacteriën zuurstof te geven. Daarom gebruiken we membranen, heel dunne buisjes waardoorheen we lucht laten stromen. De bacteriën bijten zich vast op die membranen en krijgen zo toch de zuurstof die ze willen."

"Onze bioreactoren bestaan dus eigenlijk uit heel veel buisjes waarop telkens een dikke laag bacteriën zit. Hoe meer bacteriën er in onze reactoren zitten, hoe meer ze kunnen eten en dat kunnen omzetten naar lucht. Specifiek voor dit onderzoek is het ons doel om dat aantal zo hoog mogelijk te krijgen. En daarvoor zijn echt wel heel veel bacteriën nodig, meer dan er mensen rondlopen op deze aardbol."

Je hebt met dit onderzoek de Wetenschapsbattle gewonnen. Daarvoor legde je je onderzoek uit aan kinderen uit de lagere school. Hecht je veel belang aan wetenschapscommunicatie?

"Zeker! Ik vind het heel belangrijk dat we de mensen motiveren om zich te interesseren voor wetenschap. Veel onderzoeken zijn heel boeiend en leuk, maar niet alle wetenschappers kunnen dat goed verwoorden. Het is ook vaak niet makkelijk, maar het is wél cruciaal dat we awareness creëren voor verschillende problemen in deze wereld."

"Mijn onderzoek voor de ruimtevaart kan een ver-van-je-bed-show zijn, maar hier (UA, campus Groenenborger, red.) zijn er veel onderzoeken naar waterzuivering en CO2-emissies. Mensen zijn daar nog te weinig mee bezig, hoewel die zaken toch gevolgen kunnen hebben voor ons leven. Dat geldt ook voor kinderen. Als we kinderen van jongs af aan kunnen tonen hoe gaaf en interessant wetenschap kan zijn, dan kunnen we hen misschien ook motiveren om verder te gaan in wetenschappen en onderzoek te gaan doen."