Dass Bakterien krankmachen können, weiß jedes Kind. Doch dass sie auch direkt Elektrizität erzeugen können, dürfte den meisten neu sein. Oder hat man jemals davon gehört, dass jemand einen Stromschlag erlitt, weil er aus Versehenen einen Bakterienrasen berührte? Wohl kaum. Denn für gewöhnlich ist die Elektrizitätserzeugung für die Mikroben eine rein interne Angelegenheit, sagt Yi Cui, Materialforscher an der kalifornischen Stanford Universität.
"Wenn Bakterien ihre Nahrung verdauen, also irgendwelche organischen Moleküle, erzeugen sie in ihrem Inneren Elektronen. Normalerweise benötigen sie diese Elektronen für ihren Stoffwechsel. Doch wenn es gelingt, einen Teil dieser Elektronen vorher abzugreifen, lässt sich damit Strom erzeugen."
Man muss, sagt Cui, die Mikroben nur an eine Elektrode anschließen, die die Elektronen buchstäblich aus den Einzellern heraussaugt. Dann ist es möglich, eine bakterienbetriebene Brennstoffzelle zu bauen, mit Pflanzenresten oder Abwasser als Treibstoff und den Mikroben als Stromproduzenten. Prototypen für solche Bio-Brennstoffzellen gibt es zwar schon, doch sie arbeiten nicht sonderlich effektiv.
"Die Frage lautet: Wie gut funktionieren die Elektroden der Brennstoffzelle? Bei den bisherigen Prototypen sind sie nicht besonders gut mit den Bakterien verbunden, und das begrenzt die Leistungsfähigkeit der Zellen. Deshalb haben wir uns eine neuartige Elektrode einfallen lassen - eine auf Textilienbasis."
Bislang dienen meist simple Grafitstäbchen als Elektroden. Textilien hingegen, zum Beispiel gewebte Kunstfasern, haben eine viel komplexere Struktur. Unterm Mikroskop betrachtet sind sie nicht glatt, sondern besitzen unzählige Mulden, Löcher und Waben - ideale Nistplätze für Mikroben. Um das Textilgewebe zur Elektrode zu machen, beschichteten es die Forscher mit einer Substanz aus der Nanotechnologie, mit winzigen Röhrchen aus Kohlenstoff. Erstens wird das Gewebe dadurch elektrisch leitfähig. Und zweitens:
"Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind extrem klein, sie haben einen Durchmesser von ein paar Millionstel Millimetern. Deshalb können sie sich eng an die Mikroben anschmiegen und effektiv die Elektronen aus ihrem Inneren aufsammeln. Und darum kann unsere Spezialelektrode fast 70 Prozent mehr Energie ernten als die bisherigen Elektroden."
Seit einem Jahr läuft der Prototyp im Labor. Doch können die Forscher das Konzept auch übertragen auf eine Massenproduktion in der Industrie? Yi Cui sagt:
"Ja, das können wir. Das Textilgewebe, das wir benutzen, lässt sich billig herstellen. Auch das Beschichten mit den Nanoröhrchen ist kein Problem, das läuft wie beim Färben einer Jeans. Das einzige Hindernis sind die Röhrchen selber. Ihre Herstellung ist noch zu teuer. Doch wenn man sie erst mal günstig fertigen kann, dürfte die Massenproduktion unserer Elektroden kein Problem sein."
Das Energieproblem der Menschheit wäre dann zwar nicht auf einen Schlag gelöst. Doch für bestimmte Nischenanwendungen könnte die Bio-Brennstoffzelle durchaus sinnvoll sein - etwa für die Energieversorgung von abgelegenen Farmen, zu denen kein Strommast führt. Und:
"Eine weitere Anwendung wäre die Abwasserbehandlung in Kläranlagen. Hier helfen Bakterien schon heute, den organischen Abfall zu beseitigen, zum Beispiel Seifenrückstände. Könnte man diese Bakterien dazu bringen, gleichzeitig Strom zu erzeugen, könnten sie einen Teil des Energieverbrauchs des Klärwerks decken. Und das wäre äußerst nützlich. Denn Kläranlagen brauchen eine Menge Strom."
Eine Idee, der die Forscher aus Stanford konkret nachgehen wollen. Um zu sehen, ob das Ganze auch in der Praxis funktioniert, planen sie nun eine Pilotanlage.
"Wenn Bakterien ihre Nahrung verdauen, also irgendwelche organischen Moleküle, erzeugen sie in ihrem Inneren Elektronen. Normalerweise benötigen sie diese Elektronen für ihren Stoffwechsel. Doch wenn es gelingt, einen Teil dieser Elektronen vorher abzugreifen, lässt sich damit Strom erzeugen."
Man muss, sagt Cui, die Mikroben nur an eine Elektrode anschließen, die die Elektronen buchstäblich aus den Einzellern heraussaugt. Dann ist es möglich, eine bakterienbetriebene Brennstoffzelle zu bauen, mit Pflanzenresten oder Abwasser als Treibstoff und den Mikroben als Stromproduzenten. Prototypen für solche Bio-Brennstoffzellen gibt es zwar schon, doch sie arbeiten nicht sonderlich effektiv.
"Die Frage lautet: Wie gut funktionieren die Elektroden der Brennstoffzelle? Bei den bisherigen Prototypen sind sie nicht besonders gut mit den Bakterien verbunden, und das begrenzt die Leistungsfähigkeit der Zellen. Deshalb haben wir uns eine neuartige Elektrode einfallen lassen - eine auf Textilienbasis."
Bislang dienen meist simple Grafitstäbchen als Elektroden. Textilien hingegen, zum Beispiel gewebte Kunstfasern, haben eine viel komplexere Struktur. Unterm Mikroskop betrachtet sind sie nicht glatt, sondern besitzen unzählige Mulden, Löcher und Waben - ideale Nistplätze für Mikroben. Um das Textilgewebe zur Elektrode zu machen, beschichteten es die Forscher mit einer Substanz aus der Nanotechnologie, mit winzigen Röhrchen aus Kohlenstoff. Erstens wird das Gewebe dadurch elektrisch leitfähig. Und zweitens:
"Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind extrem klein, sie haben einen Durchmesser von ein paar Millionstel Millimetern. Deshalb können sie sich eng an die Mikroben anschmiegen und effektiv die Elektronen aus ihrem Inneren aufsammeln. Und darum kann unsere Spezialelektrode fast 70 Prozent mehr Energie ernten als die bisherigen Elektroden."
Seit einem Jahr läuft der Prototyp im Labor. Doch können die Forscher das Konzept auch übertragen auf eine Massenproduktion in der Industrie? Yi Cui sagt:
"Ja, das können wir. Das Textilgewebe, das wir benutzen, lässt sich billig herstellen. Auch das Beschichten mit den Nanoröhrchen ist kein Problem, das läuft wie beim Färben einer Jeans. Das einzige Hindernis sind die Röhrchen selber. Ihre Herstellung ist noch zu teuer. Doch wenn man sie erst mal günstig fertigen kann, dürfte die Massenproduktion unserer Elektroden kein Problem sein."
Das Energieproblem der Menschheit wäre dann zwar nicht auf einen Schlag gelöst. Doch für bestimmte Nischenanwendungen könnte die Bio-Brennstoffzelle durchaus sinnvoll sein - etwa für die Energieversorgung von abgelegenen Farmen, zu denen kein Strommast führt. Und:
"Eine weitere Anwendung wäre die Abwasserbehandlung in Kläranlagen. Hier helfen Bakterien schon heute, den organischen Abfall zu beseitigen, zum Beispiel Seifenrückstände. Könnte man diese Bakterien dazu bringen, gleichzeitig Strom zu erzeugen, könnten sie einen Teil des Energieverbrauchs des Klärwerks decken. Und das wäre äußerst nützlich. Denn Kläranlagen brauchen eine Menge Strom."
Eine Idee, der die Forscher aus Stanford konkret nachgehen wollen. Um zu sehen, ob das Ganze auch in der Praxis funktioniert, planen sie nun eine Pilotanlage.