Neue Technologie erzeugt Strom aus Bakterien und „dünner Luft“

Grafische Darstellung des Elektrizität erzeugenden Mikrofilms aus Nanodräten, mit dem der „Air-Gen“ Strom aus Luftfeuchtigkeit erzeugt (Illu.). Copyright/Quelle: umass.edu
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Grafische Darstellung des Elektrizität erzeugenden Mikrofilms aus Nanodräten, mit dem der „Air-Gen“ Strom aus Luftfeuchtigkeit erzeugt (Illu.). Copyright/Quelle: umass.edu

Grafische Darstellung des Elektrizität erzeugenden Mikrofilms aus Nanodräten, mit dem der „Air-Gen“ Strom aus Luftfeuchtigkeit erzeugt (Illu.).
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Amherst (USA) – Mit Hilfe einer besonderen Art von Mikroben der Gattung Geobakter haben Wissenschaftler eine neue Methode der absolut sauberen Energie-Erzeugung entwickelt. Die Magnetit-erzeugenden Bakterien produzieren bakterielle Nanodrähte, die Elektrizität nicht nur leiten, sondern mit deren Hilfe auch Elektrizität erzeugt werden kann. Die Mikroben benötigen dazu nichts weiter als sprichwörtliche „dünne Luft“. Was derzeit erst noch erst im Kleinen funktioniert, könnte die Art und Weise wie wir Energie erzeugen und nutzen revolutionieren.

Wie das Team um Jun Yao von der University of Massachusetts Amherst aktuell im Fachjournal „Nature“ (DOI: 10.1038/s41586-020-2010-9) berichtet, wurden die Bakterien „Geobacter sulfurreducens“ im Sedimentschlamm des Potomac River entdeckt und bereits seit Jahren suchen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen nach Wegen, die Fähigkeiten der Bakterien zu nutzen.

“Wir erzeugen buchstäblich Strom aus dünner Luft”, erläutert Yao. Das Gerät, das die Forscher selbst als „Air-Gen“ bezeichnen, erzeuge „rund um die Uhr saubere Energie”. Grundlage des Effekts sind die von den Bakterien erzeugten, elektrisch leitenden Protein-Nanodrähte. „Air-Gen“ selbst besteht aus einem dünnen Film aus diesen Protein-Nanodrähten mit einer Dicke von nur 7 Mikrometern, der zwischen zwei Elektroden positioniert und der Luft ausgesetzt ist.

Auf diese Weise kann der bakterielle Nanodrahtfilm Wasserdampf aus der Luft adsorbieren, wodurch die Anlage einen fortwährenden elektrischen Strom zwischen den beiden Elektroden erzeugen kann.

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Die Wissenschaftler selbst erläutern, dass die Ladung durch einen Feuchtigkeitsgradienten erzeugt wird, der eine Diffusion von Protonen in dem Nanodrahtmaterial erzeugt. “Diese Ladungsdiffusion induziert ein ausgleichendes elektrisches Feld oder Potential analog zum Ruhepotential der Membran in biologischen Systemen. Ein aufrechterhaltener Feuchtigkeitsgradient, der sich grundlegend von allen früheren Systemen unterscheidet, erklärt den kontinuierlichen Spannungsausgang unseres Nanodrahtgeräts.”

Schon frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass Hydrovoltaik mit anderen Arten von Nanomaterialien wie Graphen erzeugt werden kann. Diese Versuche hatten allerdings meist nur kurze Stromstöße von wenigen Sekunden Dauer erzeugt. Im Gegensatz dazu erzeugt das Air-Gen-System eine anhaltende Spannung von etwa 0,5 Volt bei einer Stromdichte von etwa 17 Mikroampere pro Quadratzentimeter.

Die derzeitige „Air-Gen“-Einheit im Einsatz. Copyright/Quelle: umass.edu

Die derzeitige „Air-Gen“-Einheit im Einsatz.
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Auch wenn dies im ersten Moment nicht gerade viel Energie zu sein scheint, könnten  mehrere Einheiten schon jetzt genügend Strom erzeugen, um damit kleinere Geräte wie Smartphones und andere Kleinelektronik aufzuladen.

Alles, was es dazu benötigt, ist Umgebungsfeuchtigkeit bzw. atmosphärische Luft, deren Feuchtigkeitsgehalt zudem nur gerade einmal so niedrig sein muss, wie er selbst noch in Wüsten wie der Sahara vorkommt.

Das ultimative Ziel sei aber natürlich die Herstellung von Systemen im Großmaßstab, erklärt Yao. Tatsächlich sind eine Vielzahl revolutionärer Anwendungen schon jetzt denkbar. So könnten ganze Gebäude mit Wandfarbe gestrichen werden, in die die Nanodrähte eingebracht sind und auf diese Weise ganze Haushalte mit Strom versorgen.

“Sobald wir einen industriellen Maßstab für die Nanodrahtproduktion erreicht haben, gehe ich davon aus, dass wir große Systeme herstellen können, die einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung leisten werden”

Die einzige schon derzeit noch existierende Einschränkung sei die derzeit noch begrenzte Menge an Nanodrähten, die G. sulfurreducens (noch) produziert. Doch schon die Autoren selbst sehen in gentechnischen Manipulationen der Mikroben auch dafür eine Lösung: Tatsächlich konnte auf diese Weise schon zuvor das Kolibakterium „Escherichia coli“ (E. coli) zur Produktion von Protein-Nanodrähten gebracht werden und Genetiker zeigen sich zuversichtlich, dass dies auch mit „G. sulfurreducens“ möglich sein werde.

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Quelle: University of Massachusetts Amherst

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