Mikroben als Stromlieferanten
Neue Generation mikrobieller Brennstoffzellen erzeugt erstaunlich hohe Stromdichten
Brennstoffzellen könnten für viele Anwendungen die Energiequelle der Zukunft sein, etwa für Fahrzeuge. Die direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie ohne den Umweg über eine Verbrennung ist es, was diese Technik so umweltfreundlich macht. Der Durchbruch in die Massenanwendung steht noch bevor, doch schon brüten schlaue Köpfe über neuartigen Konzepten für die übernächste Generation, die sogar mit nachwachsenden Rohstoffen auskommen soll: Mikrobielle Brennstoffzellen. Forschern von der Universität Greifswald ist nun ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur "Bio-Brennstoffzelle" geglückt.
Während "normale" Brennstoffzellen konventionelle Energieträger wie Methanol benötigen, nutzen die Bio-Brennstoffzellen die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen zur Energiegewinnung. Ein geniales Konzept, dessen Umsetzung in die Praxis bisher allerdings an einer viel zu mageren Stromausbeute scheiterte. Ursache ist die ausgesprochen schwierige "Verdrahtung" der Mikroben mit dem Stromkreis. Uwe Schröder, Juliane Nießen und Fritz Scholz haben nun einen neuen Ansatz entwickelt, um die aus dem mikrobiellen Stoffwechsel "abgezapften" Elektronen auf die Elektroden zu übertragen. Während die Mikroorganismen munter in einem Tank Glucose verstoffwechseln - später sollen einmal pflanzliche Abfälle bis hin zu Klärschlämmen als "Futter" dienen -, wird die Fermentationsbrühe kontinuierlich durch einen separaten Anodenraum gepumpt. Dieser ist durch eine halbdurchlässige Membran vom Kathodenraum getrennt. Soweit noch nichts besonderes.
Der Clou dieser Bio-Brennstoffzelle ist die neuartige beschichtete Anode: Eine Platinelektrode oder eine mit Platin überzogene Graphitelektrode wird mit einer Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Kunststoff Polyanilin überzogen. Diese Kunststoffschicht hat es in sich. Sie ist biokompatibel und elektrokatalytisch aktiv. Sie nimmt Elektronen aus dem Stoffwechsel der Bakterien auf, überträgt sie auf die Anode und ist so entscheidend am Stromfluss beteiligt. Aber das ist noch nicht alles. Während des Betriebs der Zelle entstehen bakterielle Stoffwechsel- sowie Nebenprodukte des elektrokatalytischen Oxidationsprozesses, die sich an einer unbeschichteten Anode anlagern und sie rasch desaktivieren. Der Kunststoff verlangsamt diesen Prozess deutlich, kann ihn jedoch nicht vollständig verhindern. Ein weiterer Trick schafft Abhilfe: Durch regelmäßige Spannungspulse werden die Ablagerungen chemisch umgesetzt und von der Anodenoberfläche abgelöst.
"Unsere neuartige Bio-Brennstoffzelle gibt kontinuierlich bis zu 1,5 mA/cm2 ab," berichtet Schröder. "Damit ist uns der Schritt vom Mikro- in den Milliampère-Bereich gelungen."
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