Het beheer en transport van water en voedsel is één van de grootste obstakels voor een bemande reis naar Mars of een andere verre bestemming in de ruimte. Het is onmogelijk om al het nodige voedsel en drinken mee de ruimte in te schieten. Bio-ingenieur Jolien De Paepe ontwikkelt daarom een recyclagesysteem dat de urine van astronauten omzet in zowel schoon drinkwater als waardevolle voedingsstoffen. Het systeem heeft ook duurzame toepassingen op aarde.
Elke dag spoel je een litertje urine door het toilet. Hier op aarde beschouwen we dat als afval, maar voor ruimtereizigers is urine een bron van waardevolle grondstoffen. Zo drinken de bezoekers van het International Space Station (ISS) water dat is gerecycleerd uit hun urine. ‘Liever jij dan ik’, zei Donald Trump daarover tijdens een gesprek met astronaute Peggy Whitson, die 665 dagen doorbracht aan boord van het ISS, een Amerikaans record. Wat Trump vreemd vindt, is voor astronauten even doodnormaal als noodzakelijk. Het is immers onmogelijk (en onbetaalbaar) om een eindeloze watervoorraad mee de ruimte in te zeulen. Een toestel aan boord van het ISS verwerkt de urine daarom terug tot drinkwater. Zo wordt de koffie van gisteren de koffie van vandaag.
Zelfvoorzienend op ruimtereis
Maar urine bevat veel meer dan enkel water. Volgens bio-ingenieur Jolien De Paepe mogen we het gerust vloeibaar goud noemen. In haar doctoraat aan de UGent, gefinancierd door de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, zocht en vond ze manieren om de waarde van urine maximaal te benutten. ‘Urine bevat fosfor, stikstof en kalium. Dat zijn meststoffen die voedselgewassen doen groeien. Verwerkte urine kan ook dienen als voedsel voor micro-organismen, die op hun beurt voedsel zijn voor ruimtereizigers. Spirulina is zo’n veelbelovend ruimtevoedsel. Het is een micro-alg die urine kan verwerken, maar tegelijk zelf een waardevolle bron van eiwitten, vitaminen en mineralen is. Spirulina is bovendien bestand tegen schadelijke ruimtestraling en produceert ook flink wat zuurstof.’
Het doctoraat van Jolien De Paepe kadert in een project van ESA om zuurstof, water en voedsel in de ruimte te produceren en te recycleren, genaamd MELiSSA (Micro-ecological Life Support System Alternative). ‘MELiSSA is een systeem van reactoren waarin bacteriën, micro-algen en planten de afvalstoffen van astronauten, zoals urine maar ook uitgeademde lucht en faeces, terug omzetten in zuurstof, voedsel en drinkwater. Het is de bedoeling om uiteindelijk een volledig circulair systeem te maken, waardoor ruimteschepen niet langer moeten worden bevoorraad vanaf de aarde. Zo’n systeem is noodzakelijk om verre ruimtereizen mogelijk te maken.’
Om lange ruimtereizen mogelijk te maken moet een ruimteschip zelfvoorzienend en circulair zijn. Afvalstoffen van astronauten, zoals urine, worden dan bijvoorbeeld door micro-organismen terug omgezet in voedsel en drinkwater.
Toepassingen op aarde
Het onderzoek van De Paepe is in eerste instantie bedoeld voor de ruimtevaart, maar heeft ook veelbelovende toepassingen op de aarde. ‘Spirulina bijvoorbeeld kan ook hier op aarde ons bord verrijken. Voor wie wel eens in een eco-winkel komt, of fan is van superfoods, klinkt spirulina mogelijk niet onbekend in de oren. De micro-algen worden daar in gedroogde vorm verkocht als een waardevol voedingssupplement. Ik bakte er zelf al een cake mee, met succes. Het grote voordeel van micro-algen zoals spirulina is dat ze veel efficiënter stikstof omzetten in voedingsstoffen dan “traditionele” voedingsgewassen. Ze hebben veel minder water en landoppervlak nodig, en ze kunnen groeien op afvalstromen.’
Ook voor wie die algen op zijn bord niet ziet zitten, heeft De Paepe goed (duurzaam) nieuws. ‘De micro-algen kunnen ook als voedsel dienen voor vee, en zo je steak duurzamer maken. En uit urine gerecupereerde meststoffen kunnen duurzamere tomaten en aardappelen opleveren. Verwerkte urine kan immers een alternatief zijn voor de huidige kunstmest, die niet echt proper is. Stikstof wordt bijvoorbeeld industrieel geproduceerd, wat veel energie vraagt, en kalium en fosfor komen uit vervuilende mijnen. Als we die stoffen uit urine halen, is dat veel beter voor onze planeet.’
En ook op vlak van waterzuivering is er duurzaamheidswinst te boeken. ‘Urine is nu heel belastend voor onze waterzuiveringsstations. Urine vormt slechts één procent van alle afvalwater dat naar die waterzuiveringsstations vloeit, maar is toch verantwoordelijk voor zo’n tachtig procent van alle stikstof en de helft van alle fosfor. Het verwijderen van die stoffen uit afvalwater vraagt heel veel energie, en is ironisch genoeg ook de omgekeerde reactie die kunstmestproducenten gebruiken om kunstmest te maken. Niet efficiënt dus.’
Waar wachten we dan nog op?
Urine verwerken tot meststoffen is niet vanzelfsprekend. ‘Urine is heel onstabiel. Al na een paar uur valt urine uiteen in verschillende stoffen, waarbij het vluchtige en in kleine ruimtes (zoals in een ruimteschip) giftige ammoniak vrijkomt. De urine gaat ook snel geweldig stinken en de nuttige elementen verdwijnen zeer snel.’ De Paepe ontwikkelde een methode die urine stabiliseert en dus langer “bruikbaar” houdt. Met behulp van micro-organismen haalt ze er vervolgens de meststoffen uit.
Maar met het nemen van die horde is de kous nog niet af. ‘Urine komt nu sterk verdund aan in waterzuiveringsstations. Om het tot meststoffen te kunnen verwerken, moeten we urine scheiden van vaste uitwerpselen en ander afvalwater. Daarvoor is een gescheiden toilet nodig. Zo’n gescheiden toilet verbruikt trouwens ook veel minder water dan een traditioneel toilet. De invoering van gescheiden toiletten is nu al mogelijk, maar economisch niet interessant. Een installatie in je kelder om urine te verwerken, kan je als individueel huishouden voorlopig niet terugverdienen. Daarom denk ik op korte termijn eerder aan toepassingen op locaties waar veel urine wordt verzameld, zoals op luchthavens of andere drukke plaatsen.’
Jolien De Paepe ontwikkelt momenteel zo’n concrete toepassing bij Hydrohm, een spinoff van de UGent. ‘We ontwikkelen een systeem voor publieke toiletten dat niet enkel stikstof en fosfor herwint uit urine, maar er ook het zout uit filtert om daarmee desinfecterend spoelwater te maken.’
Don't try this at home, kids
Aan wie na het lezen van dit artikel de drang voelt om in de (moes)tuin te gaan wateren, wil Jolien nog dit kwijt: ‘Niet doen! Alles wat planten nodig hebben, is aanwezig in urine, maar urine bevat ook veel zout, en dat kan zelfs dodelijk zijn voor je planten. Bovendien is het ook niet hygiënisch, het kan micropolluenten bevatten, en je kan last krijgen van geurhinder.’
Ruimtetoilet
Benieuwd hoe astronauten in het International Space Station naar het toilet gaan? Laat je rondleiden in het kleinste kamertje door ESA-astronaut Samantha Cristoforetti!
Lees ook
Potgrond lijkt ecologisch, maar is vaak heel slecht voor het klimaat
Het ecologisch imago van potgrond bedriegt. Het is dan wel een goede voedingsstof om je planten te laten groeien, maar potgrond met turf is bijzonder belastend voor het klimaat. “Het is een fossiel materiaal dat in het rijtje van steenkool, aardolie en aardgas past”, zegt UGent-onderzoeker Ruben Vanholme.
De CO₂-neutrale toekomst is haalbaar volgens Marten
We worden om de oren geslagen met nieuws over energiemaatregelen. Maar er gaapt een kloof tussen wat er als beleid wordt uitgestippeld en wat mensen écht doen.
Helena nam als student deel aan de grootste klimaattop ter wereld
Helena Van Tichelen zat in het middelbaar toen de spijbelacties en jongerenmarsen rond het klimaat losbarstten. Het engagement dat ze toen oppikte, is ze jaren later nog lang niet kwijt. Midden november schoof ze de lessen en cursussen van haar derde bachelor bio-ingenieurswetenschappen even aan de kant om naar Egypte te trekken voor de grootste klimaatconferentie ter wereld: COP27.
Sibel Ügdüler wint de Eos Pipet 2022 met haar zoektocht naar een betere recyclage van plasticafval
Van alle plasticafval dat we momenteel sorteren, recycleren we momenteel te weinig op de juiste manier (of zelfs helemaal niet). UGent-chemicus Sibel Ügdüler ontwikkelt methodes voor kwaliteitsvolle recyclage, die volgens haar de oplossing kunnen zijn voor een ernstig recyclageprobleem. De industrie kijkt geïnteresseerd toe.
