News: Mikroben als Kraftwerker
Seit langem versuchen sich Forscher in der Konstruktion von Brennstoffzellen, in denen Bakterien die Energie erzeugen. Nachdem diese Minikraftwerke bisher viel zu uneffektiv waren, gibt es jetzt neue Hoffnung: eine Zelle mit einem sagenhaften Wirkungsgrad von über 80 Prozent.
© (Ausschnitt)
Wenn es nach Swades Chaudhuri und Derek Lovley von der University of Massachusetts – Amherst geht, dann stecken wir unsere Handyakkus in Zukunft nicht mehr in die Ladeschale, sondern füllen schlicht ein Löffelchen Zuckerlösung nach. Und das ist Futter für Bakterien, die bei der Verwertung Strom produzieren. Nicht viel, aber für Handys soll es später einmal reichen.
Doch bis das soweit ist, gilt es, die an sich nicht neue bakterielle Brennstoffzelle auf den massenhaften und zuverlässigen Einsatz vorzubereiten. Immerhin haben die beiden Forscher mit ihrer Entwicklung einen wichtigen Schritt dahin getan. Denn im Gegensatz zu den bisherigen Bermühungen, hat ihre Zelle den sagenhaften Wirkungsgrad von über 80 Prozent.
Im Mittelpunkt des Minikraftwerks steht das Bakterium Rhodoferax ferriducens, welches in freier Wildbahn in gänzlich sauerstofffreien Sedimenten lebt und dort von abgestorbenem organischen Material lebt – es oxidiert. Und da im Zuge einer Oxidation an anderer Stelle immer eine Reduktion erfolgt – dabei werden die zuvor freigesetzten Elektronen erneut gebunden – reduziert R. ferriducens zugleich dreiwertige Eisenverbindungen zu zweiwertigen: Nomen est Omen.
In der kleinen Brennstoffzelle arbeitet R. ferriducens in der einen von zwei, durch eine Membran abgetrennten Kammern. Zu Fressen – oder genauer: zum Oxidieren – gibt es ganz normalen Zucker. Die bei der Verwertung freigesetzten Elektronen wandern zur Anode und von da über einen externen Stromkreis zur Kathode.
Im Gegensatz zu den bisherigen Hochleistungszellen dieser Art kommt die Zelle von Chaudhuri und Lovley ganz ohne die so genannten Mediatoren aus – teuere, giftige und kurzlebige Substanzen, die den Elektronentransport unterstützen. Der Grund: R. ferriducens schwimmt nicht frei in der Lösung, sondern siedelt direkt auf der Anode. Das Bakterium speist die freigesetzten Elektronen also direkt in den Stromkreis.
Dies ist auch der Grund für den phantastischen Wirkungsgrad von über 80 Prozent. Bisher lag der Rekord – mit Mediatoren – allenfalls bei 50 Prozent. Und noch etwas: R. ferriducens ist nicht wählerisch und begnügt sich mit einer Vielzahl von organischen Substanzen – etwa den Abfällen aus der Holz- und Papierindustrie.
Im Labor arbeiteten die kleinen Kraftwerker über einige Wochen hinweg überaus zuverlässig – wenngleich sie bisher allenfalls einen Taschenrechner betreiben könnten. Denn die Zellen im Labor der Forscher sind noch unhandlich und die einzelnen Bauteile nicht perfekt aufeinander abgestimmt. Insbesondere, was die Elektroden angeht, erwarten die Forscher noch manchen Durchbruch. Theoretisch jedenfalls könnte eine solche Zelle schon jetzt eine 60-Watt-Birne 17 Stunden lang zum Leuchten bringen – und das mit nicht einmal einem halben Pfund Zucker.
Doch bis das soweit ist, gilt es, die an sich nicht neue bakterielle Brennstoffzelle auf den massenhaften und zuverlässigen Einsatz vorzubereiten. Immerhin haben die beiden Forscher mit ihrer Entwicklung einen wichtigen Schritt dahin getan. Denn im Gegensatz zu den bisherigen Bermühungen, hat ihre Zelle den sagenhaften Wirkungsgrad von über 80 Prozent.
Im Mittelpunkt des Minikraftwerks steht das Bakterium Rhodoferax ferriducens, welches in freier Wildbahn in gänzlich sauerstofffreien Sedimenten lebt und dort von abgestorbenem organischen Material lebt – es oxidiert. Und da im Zuge einer Oxidation an anderer Stelle immer eine Reduktion erfolgt – dabei werden die zuvor freigesetzten Elektronen erneut gebunden – reduziert R. ferriducens zugleich dreiwertige Eisenverbindungen zu zweiwertigen: Nomen est Omen.
In der kleinen Brennstoffzelle arbeitet R. ferriducens in der einen von zwei, durch eine Membran abgetrennten Kammern. Zu Fressen – oder genauer: zum Oxidieren – gibt es ganz normalen Zucker. Die bei der Verwertung freigesetzten Elektronen wandern zur Anode und von da über einen externen Stromkreis zur Kathode.
Im Gegensatz zu den bisherigen Hochleistungszellen dieser Art kommt die Zelle von Chaudhuri und Lovley ganz ohne die so genannten Mediatoren aus – teuere, giftige und kurzlebige Substanzen, die den Elektronentransport unterstützen. Der Grund: R. ferriducens schwimmt nicht frei in der Lösung, sondern siedelt direkt auf der Anode. Das Bakterium speist die freigesetzten Elektronen also direkt in den Stromkreis.
Dies ist auch der Grund für den phantastischen Wirkungsgrad von über 80 Prozent. Bisher lag der Rekord – mit Mediatoren – allenfalls bei 50 Prozent. Und noch etwas: R. ferriducens ist nicht wählerisch und begnügt sich mit einer Vielzahl von organischen Substanzen – etwa den Abfällen aus der Holz- und Papierindustrie.
Im Labor arbeiteten die kleinen Kraftwerker über einige Wochen hinweg überaus zuverlässig – wenngleich sie bisher allenfalls einen Taschenrechner betreiben könnten. Denn die Zellen im Labor der Forscher sind noch unhandlich und die einzelnen Bauteile nicht perfekt aufeinander abgestimmt. Insbesondere, was die Elektroden angeht, erwarten die Forscher noch manchen Durchbruch. Theoretisch jedenfalls könnte eine solche Zelle schon jetzt eine 60-Watt-Birne 17 Stunden lang zum Leuchten bringen – und das mit nicht einmal einem halben Pfund Zucker.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.