Raumfahrt und Weltraumforschung sind teuer. Das wirft bei manchen die Frage auf, was wir auf der Erde davon haben. Beim Forschungsprojekt »C.R.O.P.®« (»Combined Regenerative Organic-Food Production«) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) lässt sich das recht leicht beantworten. Das Projekt zielt darauf ab, Urin in pflanzenverfügbaren Dünger umzuwandeln und dabei einen möglichst geschlossenen Nährstoffkreislauf zu ermöglichen. Das soll dazu beitragen, künftig Gewächshäuser in Raumfahrzeugen, auf dem Mond oder Mars zu betreiben – könnte aber auch die Wirtschaft auf der Erde nachhaltiger machen, zumal wenn Gülle oder Gärprodukte als Ausgangssubstanzen verwendet würden.

Weil in vielen Bereichen die Ressourcen auf der Erde knapper werden, hat die Europäische Union (EU) bereits zum zweiten Mal einen »EU-Aktionsplan für die Kreislaufwirtschaft« beschlossen. Die Herstellung von Pflanzendünger aus menschlichen Fäkalien, wofür das C.R.O.P.®-Projekt eine nachhaltige technologische Lösung gefunden haben könnte, sollte deshalb eigentlich viele Interessenten finden. Doch Gesetze, Verordnungen und andere staatliche Vorgaben verhindern bisher, dass diese Form der Kreislaufwirtschaft in Deutschland kommerziell angewendet werden kann.

Jens Hauslage arbeitet am DLR in der Abteilung Angewandte Luft- und Raumfahrtbiologie. Er ist Botaniker und wirkt damit dort wie ein Exot. Kennt man aber sein Forschungsgebiet, erschließt sich, warum er am DLR tätig ist. Hauslage ist Gravitationsbiologe, er untersucht unter anderem die Auswirkungen von Schwerelosigkeit auf Pflanzen. Auf längeren Weltraumflügen könnte das wichtig werden. Denn solche Missionen würden davon profitieren, wenn es gelänge, an Bord der Raumschiffe essbare Pflanzen anzubauen, um damit die Astronauten zu versorgen. Das setzt voraus, die Pflanzen trotz Schwerelosigkeit erfolgreich zu züchten.

Am Anfang war ein Aquarienfilter

Um das Jahr 2010 herum kam der damalige Direktor des Kölner DLR‑Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin, Rupert Gerzer, auf Hauslage und einige weitere Kollegen zu. Er bat die Fachleute darum, sich Gedanken über biologische Lebenserhaltungssysteme für Weltraummissionen zu machen. Sie sollten herausfinden, was es auf dem Gebiet schon gibt und wie sich solche Systeme verbessern lassen. Hauslage ist heute noch erstaunt, wie wenig Vorarbeiten dazu existierten: »In der Weltraumforschung hatte man untersucht, wie Nahrungsmittel für Astronauten produziert werden können, aber nicht, wie man die zugehörigen Kreisläufe schließen kann.«

Der Botaniker und sein Kollege Kai Waßer verfügten gemeinsam über eine jahrzehntelange Erfahrung im Betreiben von Aquarien, die über biologische Filter verfügen. Biologische Filter sind solche, in denen Mikroorganismen siedeln – vor allem Bakterien und Pilze –, die mit ihrem zelleigenen Stoffwechsel allerlei Schadstoffe in andere Substanzen umwandeln, welche sich anschließend abtrennen lassen. Die Vorgänge in ihnen ähneln der Selbstreinigung in natürlichen Gewässern.

»Wir dachten uns, wenn ein solcher Filter den Urin der Tiere aus dem Wasser entfernen kann, dann könne er vielleicht auch menschlichen Urin aufbereiten helfen«, schildert Hauslage die damaligen Überlegungen. Anfangs testeten sie eine wässrige Lösung mit sechs Prozent menschlichem Urin. Und hatten Erfolg damit: Die Mikroorganismen im biologischen Filter bauten den zugeführten Harnstoff teilweise zu Nitraten ab. Dabei handelt es sich um stickstoffhaltige Verbindungen, die zu den wichtigsten Bestandteilen von Pflanzendüngern gehören. Zudem stellten sie fest, dass menschlicher Urin noch verschiedene Phosphate sowie Kalium- und Calciumsalze enthält – und damit weitere wichtige Düngerinhaltsstoffe.

Muschelschalen bringen den Durchbruch

Etwa ein Jahr nach den ersten Versuchen trat die Biologin Gerhild Bornemann dem Forschungsprojekt bei; später übernahm sie dessen Leitung. Unter ihrer Mitwirkung erhöhten die Wissenschaftler nach und nach den Anteil des menschlichen Urins in der aufzubereitenden Flüssigkeit, bis sie schließlich reinen Urin in den biologischen Filter gaben – und auch das funktionierte. Allerdings wandelten die Mikroben nur die Hälfte des Harnstoffs in Nitrate um; aus der anderen Hälfte machten sie Ammoniumsalze.

Der Grund dafür war, dass es während des Filtervorgangs zu unerwünschten pH-Wert-Änderungen kam. Um das zu vermeiden, benötigten die Fachleute eine erneuerbare Substanz, die in dem Prozess als pH-Wert-Puffer dient. Sie musste unter den Bedingungen eines Raumflugs – oder in Gewächshäusern auf dem Mond beziehungsweise Mars – ohne großen Aufwand und nachhaltig verfügbar sein.

Eines Tages ging Bornemann, während sie über eine Lösung dieses Problems nachdachte, am Rhein spazieren. Dabei fielen ihr Schalen der Grobgerippten Körbchenmuschel (Corbicula fluminea) ins Auge, die weitgehend aus Calciumcarbonat bestehen, einem natürlichen Säurepuffer. Bornemann sammelte eine Menge Muschelschalen ein, brachte sie ins Labor und experimentierte damit. Es zeigte sich, dass die Schalen in dem biologischen Filter tatsächlich die erforderliche Pufferung bewirken, sodass – nach einigen Verbesserungen des Prozesses – der Harnstoff im menschlichen Urin nahezu vollständig in Nitrate umgewandelt wurde.

Das Team versuchte zudem, statt vollständiger Muschelschalen eine Mischung aus Muschelkalk und kleinen Steinchen (sogenanntem Geflügelgrit) zu verwenden, aber ohne Erfolg: Es entstand ein hartes Sediment aus Urinstein und Grit. Dieses drohte den Filter zu verstopfen, weshalb die Wissenschaftler wieder zu ganzen Schalen zurückkehrten.

Für die Filterfunktion sorgen Mikroben, die in saurem Milieu leben

Der zentrale Bestandteil ihres biologischen Urinfilters ist Lavagestein. Jeweils mehrere Liter davon werden in PVC-Rohre mit zehn Zentimetern Durchmesser eingefüllt, durch die dann die zu reinigende Flüssigkeit strömt. Als gut geeignet hat sich rote Eifellava herausgestellt, da sie zahlreiche verschieden große Poren hat und damit Nischen für unterschiedlichste Mikroorganismen bietet – vor allem für Bakterien und Archaeen. Derartige Mikroorganismen führt die Forschungsgruppe zu, indem sie das Lavagestein mit ein wenig Gartenerde beimpft.

Bornemann und ihr Team wissen nicht genau, welche Mikroben sich jeweils in ihrem biologischen Filter ansiedeln. Auch welche davon die Nitrate erzeugen, ist ihnen nicht im Detail bekannt. Aus Kläranlagen bekannte »Nitrifizierer« (Mikroben, die Ammoniak in Nitrite und schließlich Nitrate umwandeln) sind in den Filtern jedenfalls kaum vorhanden. »Es sind eher Gattungen wie Nitrococcus und Nitrosococcus, die man häufig in sauren Böden und Seen findet«, sagt Bornemann. Denn zur Überraschung der Fachleute spielen sich die chemischen Umwandlungen in den biologischen Lavagesteinsfiltern bei pH-Werten von 3 bis 4 ab, also im deutlich sauren Bereich.

Dass die Wissenschaftler keine genaue Kenntnis von den Mikroorganismen in ihren Filtern haben, sei ein Paradigmenwechsel, erläutert Hauslage. Noch vor wenigen Jahren sei es üblich gewesen, in der Raumfahrtforschung mit reinen Mikroorganismenkulturen zu arbeiten, die in sonst steriler Umgebung genau definierte biochemische Prozesse ermöglichen sollten. C.R.O.P.® verfolgt damit laut Hauslage einen neuen Ansatz: »Wir bauen die Habitate für die Organismen, die wir haben wollen.«

Entscheidend sei am Ende, dass der Filter seine Aufgabe erfülle. Hauslage spricht von einem »funktionellen biologischen Band der Nitrifikation«. Damit meint er, dass die einzelnen Mikrobenspezies in einem solchen Filter mal besser und mal schlechter gedeihen, das System als Ganzes aber in einem Fließgleichgewicht bleibt. Vermutlich finde in den Filtern eine Mikroevolution statt, wodurch die Gemeinschaft der Mikroorganismen die zugeführten Substanzen zunehmend besser verstoffwechseln könne.

Gescheiterte Satellitenmission

Nach einigen Jahren des Experimentierens bekamen die Fachleute die Möglichkeit, ihre C.R.O.P.®-Filter an Bord von Satelliten im All zu testen. Das Projekt erhielt den Namen »Eu:CROPIS«; die Buchstaben »IS« darin stehen für »in Space«. Um die Satellitenexperimente vorzubereiten, tat sich Hauslage mit dem befreundeten Biologen Michael Lebert von der Universität Erlangen-Nürnberg zusammen, der das fotosynthetisch aktive Augentierchen (Euglena gracilis) erforscht. Sie entwickelten die Idee, die biologischen Filter mit Augentierchen zu kombinieren und somit ein System zu schaffen, das eine anschließende Zucht von Kulturpflanzen ermöglicht. Die Buchstaben »Eu« im Projektnamen leiten sich von »Euglena« ab.

Das Gesamtsystem soll nach folgendem Prinzip funktionieren: Die biologischen Filter wandeln den Harnstoff in menschlichem Urin zu Nitraten um. Zugleich stellt Euglena gracilis fotosynthetisch erzeugten Sauerstoff bereit. Nitrate und Sauerstoff ermöglichen es den Kulturpflanzen, auszukeimen, bevor sie selbst fotosynthetisch Sauerstoff produzieren und Biomasse bilden. Die Anwesenheit von Euglena gracilis sorgt außerdem dafür, dass die Pflanzen vor Ammoniak geschützt werden, das vorübergehend in den Filtern entstehen kann und ihnen schaden würde. Als Kulturpflanze in diesem System wählten die Fachleute die Tomatensorte »Mikro-Tina«, da sie kleinwüchsig und pflegeleicht ist, keine Bestäuber braucht und reichlich rote, süß-aromatische Früchte bildet, die sich gut per automatischer Kamerabildauswertung erkennen lassen.

Nach dem erfolgreichen Raketenstart im Dezember 2018 störte jedoch ein Software-Update die Kommunikation mit dem Eu:CROPIS-Satelliten. Daraufhin ließen sich die beiden Gewächshäuser an Bord des Satelliten nicht mehr starten. Dieser Fehlschlag schmerzt Hauslage bis heute. Glücklicherweise war das Projekt schon damals nicht nur auf Anwendungen im All ausgelegt: Parallel zu den Vorbereitungen auf Eu:CROPIS waren bereits Experimente dazu angelaufen, wie sich die biologischen Filter auf der Erde nutzen lassen. Schon früh testeten die Fachleute, ob damit eine Gülleaufbereitung möglich sei. Kollegen am DLR ärgerten sich zwar über die Geruchsbelästigung, doch es zeigte sich: Mit dem C.R.O.P.®-Verfahren ließ sich Gülle mit einem Trockensubstanzanteil von bis zu fünf Prozent behandeln.

Die Filter ermöglichen eine biologische Gülleaufbereitung (BiG) ohne Einsatz von Chemikalien, bei der flüssiger Pflanzendünger entsteht sowie ein Feststoffanteil mit hohem Gehalt an organischen Substanzen, der sich zum Aufbau von Humus nutzen lässt. Der gesamte Umwandlungsprozess läuft in einer Anlage ab, die aus einem Tank besteht, in den die Gülle eingefüllt wird, sowie einem darüberliegenden Reaktionsraum mit dem C.R.O.P.®-Filter. Pumpen befördern die Gülle mehrmals nacheinander in den Reaktionsraum, wo die Mikroben im Filter sie verarbeiten, bis sich der fertige Pflanzendünger entnehmen lässt. Er enthält kein Ammoniak mehr und riecht deshalb nicht so streng wie der Ausgangsstoff. Neben Gülle lassen sich auch Gärreste aus Biogasanlagen verwerten.

Ein besserer Dünger als Gülle

Das zugehörige Forschungsprojekt mit der Bezeichnung »BiG C.R.O.P.®« war derart erfolgreich, dass die beiden ebenfalls daran beteiligten Wissenschaftler Tim Paulke und Fabian Mierbach im Mai 2024 ein Start-up-Unternehmen namens NUNOS ausgründeten. »Gülle wird schon seit Jahrtausenden als Pflanzendünger genutzt, aber das ist nicht wirklich effizient«, erläutert Paulke. Beim Ausbringen der Gülle gingen 30 bis 40 Prozent des enthaltenen Stickstoffs in Form von Ammoniak verloren; zudem müssten Bodenmikroben die Nährstoffe erst für die Pflanzen verfügbar machen, was je nach Witterung unterschiedlich schnell geschehe. Werde die Gülle hingegen per C.R.O.P.®-Filter aufbereitet, könnten die Pflanzen das entstehende Produkt direkt aufnehmen.

NUNOS bietet Pflanzendünger für Privatkunden an, hergestellt mit diesem Verfahren und sinnigerweise unter der Bezeichnung »Raketendünger« vertrieben. Als eigentliche Zielgruppe jedoch peilt das Unternehmen einerseits landwirtschaftliche Betriebe an, die Rindergülle und Gärreste mit eigenen Mitteln zu Dünger verarbeiten wollen. Eine entsprechende Pilotanlage läuft seit Oktober 2025, drei weitere Anlagen werden derzeit errichtet, und bald sollen die ersten verkauft werden. Andererseits ist Paulke mit kommunalen Entsorgern im Gespräch, die an einer besseren Nutzung von Gärresten aus ihren Biogasanlagen interessiert sind, um neue Verwertungswege im urbanen Raum zu erschließen.

Lebenserhaltungssysteme für den Weltraum: Nicht gut genug für die Erde?

Dass NUNOS auf die Verwertung landwirtschaftlicher Reststoffe setzt und nicht auf die von menschlichem Urin, wofür der C.R.O.P.®-Filter ursprünglich entwickelt wurde, liegt hauptsächlich an der Rechtslage in Deutschland. »Im deutschen Düngerecht gibt es eine Positivliste von Substanzen, aus denen Dünger hergestellt werden darf, und darin sind menschliche Ausscheidungen nicht aufgeführt«, erläutert Annette Jensen vom Netzwerk für nachhaltige Sanitärsysteme. In diesem Verein haben sich Unternehmer und Wissenschaftler zusammengeschlossen, die das deutsche Sanitärsystem in eine Kreislaufwirtschaft überführen wollen. Eine wichtige Station auf dem Weg dorthin sind Trenntoiletten, die Urin und Kot getrennt sammeln und gar nicht erst ins Abwasser gelangen lassen. »Deshalb sehen wir die bisherigen Regelungen zum Umgang mit menschlichen Exkrementen im Abwasserrecht falsch platziert«, unterstreicht Jensen. Hinzu kommt: Für menschliche Fäkalien gibt es in Deutschland keine Abfallschlüsselnummer nach der Abfallverzeichnis-Verordnung, und ihre Wiederverwendung ist im deutschen Recht schlicht nicht vorgesehen. Auf EU-Ebene sieht man hierfür bisher keinen Regelungsbedarf.

Jensen verweist auf den Dünger »Aurin« des schweizerischen Unternehmens Vuna, der aus menschlichem Urin hergestellt wird und seit einigen Jahren in der Schweiz, in Österreich, Liechtenstein und Frankreich zugelassen ist. Hygiene und Qualitätskontrolle spielen bei seiner Produktion eine große Rolle; so werden Arzneistoffe im Urin mittels Aktivkohlefiltern effektiv entfernt. In Deutschland können zwar Feldversuche mit Dünger aus Urin genehmigt werden, doch Jensen beklagt fehlende Experimentier- und Erprobungsspielräume auf kommunaler Ebene.

»Im deutschen Düngerecht gibt es eine Positivliste von Substanzen, aus denen Dünger hergestellt werden darf, und darin sind menschliche Ausscheidungen nicht aufgeführt«Annette Jensen, Netzwerk für nachhaltige Sanitärsysteme

Ähnliches berichtet Florian Augustin, Gründer und Geschäftsführer der Firma Finizio. Das Unternehmen bietet Trenn- und Trockentoiletten sowie verschiedene Dienstleistungen drumherum an, beispielsweise die Bereitstellung von Toiletten für Musikfestivals. Der Firmenname ist aus den italienischen Wörtern für Ende (»fine«) und Anfang (»inizio«) zusammengesetzt und soll auf einen geschlossenen Kreislauf »von der Toilette zum Feld verweisen«. Augustin setzte schon bei der Unternehmensgründung auf eine Kreislaufwirtschaft. Deshalb treibt Finizio auch die Entwicklung eines Düngers aus menschlichen Ausscheidungen voran. Doch das deutsche Recht bremst diese Aktivitäten aus: »Das größte Problem ist, dass wir unser Endprodukt nicht vermarkten können«, hebt Augustin hervor. Der Dünger erfülle alle Qualitätskriterien, sei sicher, hygienisch und habe sich in Feldversuchen bewährt, könne aber nicht verkauft werden.

Realitätsnahe Tests in der Mondhalle

Finizio kooperiert mit dem C.R.O.P.®-Projekt und hat unter anderem Urin aus seinen Toiletten für Forschungszwecke zur Verfügung gestellt. Für das Projekt »U-Cycle«, an dem sich das Team um Gerhild Bornemann beteiligte, musste allerdings künstlicher Urin verwendet werden. Schul- und Kleingärtner konnten bei diesem Citizen-Science-Vorhaben versuchsweise ein Beet mit C.R.O.P.®-Dünger versorgen und es mit einem anders gedüngten Beet vergleichen. »Das hat sehr gut funktioniert, viele haben sich dafür interessiert und wir hatten ein großes Presseecho bei dem Projekt«, berichtet Bornemann. In einem Folgeprojekt sollen Kleingärtner eine eigene kleine Anlage mit biologischen Filtern gestellt bekommen und Dünger aus ihrem eigenen Urin erzeugen – das ist in den meisten Kleingartenanlagen erlaubt, wie Bornemann erläutert.

Die Mondsimulationsanlage »LUNA« am DLR-Standort in Köln ist eine 700 Quadratmeter große Halle, gefüllt mit künstlich nachgebildetem Mondstaub. Sie dient dazu, die Verhältnisse auf dem Erdtrabanten nachzubilden, um astronautische und robotische Mondmissionen vorzubereiten. Bald soll sie mit einer Toilette ausgestattet werden, in der bis zu vier Liter menschlicher Urin pro Tag gesammelt und einem C.R.O.P.®-Filter zugeführt werden. Das soll klären helfen, wie einsatztauglich das Verfahren ist. Außerdem arbeiten Fachleute daran, die Filter kleiner, leistungsfähiger und leichter zu machen, denn auf Raumflügen zählt jedes Gramm und jeder Quadratzentimeter. Noch gibt es allerdings keine konkreten Pläne für den Einsatz eines solchen Filters bei einer Weltraummission.

Bis heute haben Raumfahrzeuge keine vollständig geschlossenen biologischen Lebenserhaltungssysteme. So verfügt die internationale Raumstation ISS zwar über physikalisch-chemische Kreisläufe, die 87 Prozent des Wasser- und Luftbedarfs in der Station decken. Doch Lebensmittel müssen noch immer per Rakete zur Station gebracht werden, wie Bornemann 2023 in einem Vortrag betonte. Im selben Jahr veröffentlichte eine Arbeitsgruppe um Ariane Krause vom Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau in Großbeeren eine Studie, die Anwendungen des C.R.O.P.®-Düngers untersucht hatte. Dabei hatte sich gezeigt, dass die damit gedüngten Pflanzen ebenso gut wuchsen wie nach der Gabe eines zugelassenen Bio-Düngers.

In einem Positionspapier haben Krause und andere auf einen Vermerk des Bundesumweltministeriums von 2018 verwiesen, wonach für Kompost- und Trockentoiletten der Abfallbegriff nach dem Kreislaufwirtschaftsgesetz in Betracht kommen könnte. Demnach sind die Erzeuger oder Besitzer von Abfällen dazu verpflichtet, diese nach dem Grundsatz »Verwertung vor Beseitigung« aufzuarbeiten. Vielleicht trägt das Gesetz dazu bei, ein Urinfilterverfahren, das für Weltraummissionen entwickelt wurde, auf der Erde für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft einzusetzen.