Von Forschern entwickelter Nanogenerator aus Bakterien erzeugt elektrische Energie praktisch “aus dem Nichts”

Es klingt wie aus einem Science-Fiction Film, ist jedoch Realität: Mithilfe von Bakterien haben Forscher Elektrizität aus Wasserdampf produziert. Zukünftig könnten Handys damit betrieben werden.

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Man fand ihn vor mehr als drei Jahrzehnten am schlammigen Ufer des Potomac begraben, des legendären Flusses zwischen West Virginia und Washington in den USA: einen seltsamen “Sedimentorganismus”, der Dinge tun konnte, die noch niemand zuvor in Bakterien gesehen hatte.

Diese ungewöhnliche Mikrobe, die zur Gattung der Geobacter gehört, wurde zunächst für ihre Fähigkeit bekannt, in Abwesenheit von Sauerstoff Magnetit zu produzieren, doch mit der Zeit fanden Wissenschaftler heraus, dass sie auch noch andere Dinge erzeugen kann, wie etwa bakterielle Nanodrähte, die Elektrizität leiten.

Seit Jahren bereits versuchen Forscher, Wege zu finden, um dieses natürliche Geschenk sinnvoll zu nutzen, und sie haben möglicherweise gerade mit einem Gerät, das sie ‘Air-Gen’ nennen, einen Durchbruch erreicht. Nach eigenen Angaben des Teams kann ihr Gerät Strom erzeugen aus … na ja, fast Nichts.

Stromerzeugung mithilfe von Bakterien

“Wir machen buchstäblich Strom aus Nichts”, sagt der Elektrotechniker Jun Yao von der Universität von Massachusetts Amherst. “Der Air-Gen erzeugt rund um die Uhr saubere Energie.”

Die Aussage mag wie eine Übertreibung klingen, aber eine neue Studie von Yao und seinem Team beschreibt, wie der luftbetriebene Generator tatsächlich Elektrizität erzeugen kann, während um ihn herum nichts anderes als Luft vorhanden ist. Dies alles ist den elektrisch leitenden Protein-Nanodrähten zu verdanken, die  Geobacter Bakterien (in diesem Fall G. sulfurreducens) gebildet werden.

Der Air-Gen besteht aus einem dünnen Film aus Protein-Nanodrähten mit einer Dicke von nur 7 Mikrometern, der zwischen zwei Elektroden positioniert und gleichzeitig indes auch der Luft ausgesetzt ist.

Aufgrund des Einwirkens von Luft ist der Nanodrahtfilm in der Lage, den in der Atmosphäre vorhandenen Wasserdampf zu binden, wodurch das Gerät einen kontinuierlichen elektrischen Strom erzeugen kann, der zwischen den beiden Elektroden geleitet wird.

Das Team glaubt, dass die elektrische Ladung wahrscheinlich durch einen Feuchtigkeitsgradienten erzeugt wird, der eine Verteilung von Protonen in das Nanodraht-Material hinein bewirkt.

“Wir gehen davon aus, dass diese Ladungsdiffusion ein ausgleichendes elektrisches Feld oder Potential erzeugt, das dem Ruhemembranpotential in biologischen Systemen entspricht”, so erklären die Autoren in ihrer Studie.

“Ein dauerhafter Feuchtigkeitsverlauf, der sich grundlegend von allen bislang bekannten Systemen unterscheidet, erklärt die kontinuierliche Spannungsausgabe unseres Nanodraht-Gerätes”.

Die Entdeckung wurde fast zufällig gemacht, als Yao plötzlich bemerkte, dass Geräte, mit denen er experimentierte, scheinbar ganz alleine Elektrizität leiteten.

“Ich stellte fest, dass die Geräte einen Strom erzeugten, wenn die Nanodrähte auf eine bestimmte Art und Weise mit den Elektroden in Kontakt gebracht wurden”, sagt Yao.

“Ich stellte fest, dass die Einwirkung von Luftfeuchtigkeit unerlässlich war und dass die Protein-Nanodrähte Wasser aufnehmen und einen Spannungsverlauf über das Gerät erzeugen.”

Frühere Forschungen haben die Erzeugung von Strom aus Wasserkraft unter Verwendung anderer Arten von Nanomaterialien – wie z.B. Graphen – aufgezeigt, doch haben diese Versuche weitgehend stets nur kurze, bestenfalls jeweils einige Sekunden dauernde Stromstöße erzeugt.

Im Gegensatz dazu erzeugt der Air-Gen eine anhaltende Spannung von etwa 0,5 Volt bei einer Stromdichte von etwa 17 Mikroampere pro Quadratzentimeter. Das ist absolut gesehen nicht viel Energie, doch könnte nach Angaben des Teams das gleichzeitige Anschließen mehrerer Geräte genügend Strom erzeugen, um kleinere Geräte wie etwa Smartphones und andere persönliche Elektronik aufzuladen – und zwar ganz ohne Verlust und Rückstände, und lediglich mit etwas Luftfeuchtigkeit (ausreichend selbst in so trockenen Regionen wie beispielsweise der Sahara).

“Das ultimative Ziel ist die Herstellung von Großsystemen”, so Yao, und er erklärt, dass künftige Bemühungen die Technologie nutzen könnten, um Haushalte etwa über in Wandfarben integrierte Nanodrähte mit Strom zu versorgen.

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“Ich gehe davon aus, dass, sobald wir einen industriellen Maßstab für die Drahtproduktion erreicht haben, wir große Systeme herstellen können, die einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung leisten.”

Wenn etwas es schwierig gestaltet, dieses scheinbar unglaubliche Potenzial auszuschöpfen, dann ist das die begrenzte Menge an Nanodraht, die G. sulfurreducens produziert.

Verwandte Forschungen eines Teammitglieds – des Mikrobiologen Derek Lovley, der bereits in den 1980er Jahren erstmals Geobacter-Mikroben identifizierte – könnten eine Lösung dafür haben: Gentechnische Veränderung anderer Bakterien wie z.B. von E. coli, um den gleichen Vorgang in sehr großem Maßstab zu erreichen.

“Wir haben E. coli in eine Protein-Nanodrahtfabrik verwandelt”, sagt Lovley.

“Mit diesem neuen anpassbaren Verfahren wird mangelnde Versorgung mit Protein-Nanodrähten nicht mehr länger ein Hemmnis für die Entwicklung dieser Anwendungen sein.”

Die Ergebnisse sind im Wissenschaftsjournal  ‘Nature’ veröffentlicht.

Forscher planen Luftgeneratoren für Handys

Bislang befindet sich der “Air-Gen” noch in einer frühen Entwicklungsphase. Die Wissenschaftler erhoffen sich jedoch, dass das Gerät bald Marktreife erlangt. Als nächsten Schritt planen sie den Betrieb kleiner elektronischer Geräte wie Fitnessuhren. Außerdem wollen sie Luftgeneratoren für Mobiltelefone entwickeln, die das regelmäßige Aufladen überflüssig machen könnten.

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