Darminspirierte Biobatterie erzeugt achtmal mehr Leistung

Verstopfte Poren in traditionellen mikrobiellen Brennstoffzellen

Eine mikrobielle Brennstoffzelle ist eine vielversprechende Bioenergie-Innovation, die Strom erzeugt, indem sie auf lebende Mikroorganismen setzt, die organische Stoffe verdauen, wie New Atlas berichtet. In diesen Geräten geben aktive Bakterien beim Fressen Elektronen ab, und eine Anode sammelt den Strom, während flüssige Elektrolyte die elektrochemischen Reaktionen ermöglichen. Standardmäßige flache Elektroden schränken die Besiedlung durch Mikroben wegen der begrenzten Oberfläche ein. Zwar vergrößern poröse Matrizen wie Papier oder Schaum den Besiedlungsraum, doch dichte Bakterienansammlungen, sogenannte Biofilme, verstopfen die Poren rasch, unterbrechen die Nährstoffzufuhr und schließen giftige Stoffwechselabfälle ein.

„Poröse Strukturen können durch Biofilmbildung leicht verstopfen, daher hatten wir viele Probleme mit der Nährstoffzufuhr, der Abfallansammlung oder ungleichmäßigem Biofilmwachstum.“

— Prof. Seokheun Choi, Binghamton University

Hydrogel-Säulen, die Darmgewebe nachahmen

Um dieses Verstopfungsproblem zu lösen, wandte sich ein Forschungsteam unter Leitung von Prof. Seokheun Choi am Bioelectronics and Microsystems Lab der Binghamton University der menschlichen Verdauungsanatomie zu. Im Darm maximieren Millionen fingerförmiger Fortsätze, sogenannte Zotten, die Oberfläche, während Flüssigkeit frei zwischen ihnen fließt. Wie New Atlas dokumentiert, fertigten die Forscher Ruohan Zhang, Botian Wang und Choi künstliche Zotten aus einem elektrisch leitfähigen Hydrogel. Die Hydrogel-Mischung kombiniert Polyvinylalkohol, reduziertes Graphenoxid und das leitfähige Polymer PEDOT, um Feuchtigkeit zu speichern und elektrische Ladungen zu übertragen.

Ruhende Sporen und Stromerzeugung

Statt sofort frische Kulturen einzusetzen, betteten die Wissenschaftler ruhende Bacillus-subtilis-Sporen direkt in die künstlichen Zotten ein, so New Atlas. In ein organisches Nährstoffbad gebracht, keimen die ruhenden Sporen zu funktionsfähigen Bakterien aus, die Elektronen durch ihre Zellwände nach außen abgeben. Das Hydrogel wirkt als Anode und ist über eine Ionenaustauschmembran mit einer modifizierten Kathode aus Kohlenstoffgewebe gepaart. Dieser konstruierte Prototyp erzeugte pro Volumeneinheit über achtmal mehr Strom als flache Elektrodenanordnungen, ohne unter Biofilm-Erstickung zu leiden – eine bemerkenswerte biologische Erfindung.

Dezentrale Stromversorgung und Abwasseranwendungen

Da das System organische Abfälle in direkten elektrischen Strom umwandelt, will das Forschungsteam diese Biobatterie-Architektur für die Abwasserbehandlung und die Umweltüberwachung nutzen, wie New Atlas darlegt. Die Platzierung von Anordnungen dieser Biobatterien in kommunalen Abwasserkanälen könnte langfristige Nachhaltigkeitsziele unterstützen, indem direkt aus kommunalem Abfluss lokal Strom erzeugt wird. Das Team testet weiterhin verschiedene Säulengrößen, um den Flüssigkeitsfluss und die Leistungsabgabe in skalierten Rohrleitungskonfigurationen zu optimieren, was neue Wege für ein mögliches Patent und die kommerzielle Nutzung eröffnet.

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