Zucker als Stromquelle? Was zunächst wie ein Küchenexperiment klingt, wird im Labor zur Realität. Ein Forschungsteam des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in den USA hat eine elektrochemische Durchflusszelle entwickelt, die mit Glukose und Vitamin B2 arbeitet – also mit Stoffen, die Sie täglich zu sich nehmen. Der Clou: Die Zelle kommt ohne Edelmetalle aus, ist ungiftig und könnte langfristig eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Energiespeichern werden.
„Riboflavin- und Glukose-Durchflusszellen können Strom aus natürlichen Energiequellen erzeugen“, erklärt Projektleiter Jong-Hwa Shon. „Durch die Verwendung ungiftiger Komponenten, die sowohl kostengünstig als auch in der Natur reichlich vorhanden sind, bietet dieses System einen vielversprechenden Weg zu einer sichereren und erschwinglicheren Energiespeicherung für Privathaushalte.“
Inhaltsverzeichnis
Wie unser Körper als Vorbild diente
Die Idee für die neue Zelle stammt aus der Biologie. Unser Körper gewinnt Energie, indem er Zucker mit Hilfe von Enzymen schrittweise abbaut. Dabei entstehen Elektronen, die in chemischen Reaktionen „weitergereicht“ werden. Ein wichtiger Baustein dabei ist das Vitamin B2, auch bekannt als Riboflavin. Es arbeitet im Körper allerdings nicht direkt mit Glukose, sondern innerhalb von Enzymkomplexen.
Im Labor ersetzt Riboflavin diese komplexen Enzyme. Es fungiert als Vermittler, der Elektronen zwischen dem Zuckermolekül und der Elektrode überträgt. Genau dadurch entsteht Strom – einfach, günstig und ganz ohne die empfindlichen Eiweiße, die in biologischen Systemen notwendig sind.
Wie die Zuckerzelle funktioniert
Die Batterie – genauer gesagt: die Durchflusszellenbatterie – arbeitet mit zwei flüssigen Elektrolyten. Diese zirkulieren in getrennten Tanks und werden während des Betriebs durch die Zelle gepumpt.
Auf der negativen Seite befindet sich ein Gemisch aus Glukose und Riboflavin, auf der positiven Seite entweder Sauerstoff aus der Luft oder eine Lösung mit Kaliumferricyanid. Wenn die Elektrolyte durch die Zelle fließen, überträgt das Vitamin Elektronen vom Zucker zur Elektrode. So fließt Strom.
Im Labor erreichte die Zelle eine Spannung von etwa 1 Volt – vergleichbar mit einer AA-Batterie. Bei einer Stromdichte von 20 Milliampere pro Quadratzentimeter (mA/cm²) blieb dieser Wert rund 50 Minuten stabil. Mit Luft als Reaktionspartner lieferte das System eine Leistungsdichte von 13 Millliwatt pro Quadratzentimeter (mW/cm²). Das ist rund zwanzigmal mehr als frühere Zellen mit ähnlicher Chemie.
Infobox: Was ist eine Durchflusszellenbatterie?
In einer Durchflusszellenbatterie werden zwei flüssige Elektrolyte in Tanks gespeichert. Beim Entladen pumpen Pumpen die Flüssigkeiten durch eine Zelle mit zwei Elektroden, die durch eine Membran getrennt sind. Dort laufen chemische Reaktionen ab, die Strom erzeugen. Der Vorteil: Die Leistung hängt von der Zellgröße ab, die Kapazität von der Tankgröße. So lässt sich das System leicht vergrößern – ideal für stationäre Speicher.
Sauerstoff als Herausforderung
Die Forschenden testeten zwei Varianten. In der Ferricyanid-Variante konnten sie die Aktivität des Vitamins präzise messen. Die Sauerstoff-Variante dagegen ist für spätere Anwendungen kostengünstiger – sie braucht keine aufwendige Chemikalienzufuhr.
Allerdings zeigte sich: Sauerstoff ist ein schwieriger Partner. Er reagiert mit Riboflavin, wenn Licht auf die Zelle fällt. Dadurch kann sich das Vitamin zersetzen, was zu Selbstentladung führt. Das Team arbeitet daher daran, den Aufbau zu optimieren – etwa durch lichtdichte Materialien und eine verbesserte Sauerstoffsteuerung.
Wenn Zucker zu Strom wird
Im Detail funktioniert das so: Riboflavin nimmt Elektronen aus der Glukose auf, wird dabei reduziert und gibt die Elektronen an der Elektrode wieder ab. So entsteht eine elektrische Spannung.
Während dieses Prozesses zerfällt der Zucker schrittweise in kleinere Moleküle. In den Analysen der Forschenden tauchten Formiat und Aceton als Hauptprodukte auf. Diese entstehen, wenn sich die Zuckermoleküle teilweise aufspalten. Gluconsäure, ein typisches Oxidationsprodukt, trat dagegen kaum auf. Das bestätigt, dass hier eine andere Reaktionsroute abläuft – gewissermaßen ein „sanfter Verbrennungsprozess“ auf molekularer Ebene.
Ein Vitamin mit zwei Gesichtern
Die Leistung der Zelle hängt auch davon ab, in welcher Form das Vitamin vorliegt. Im basischen Elektrolyten existieren zwei Zustände – ein „inaktiver“ und ein „aktiver“. Erst wenn genügend aktive Moleküle vorhanden sind, kann die Zelle effizient arbeiten.
Interessant: Wenn der Elektrolyt eine Weile steht, bildet sich mehr von der aktiven Form, und die Zelle liefert mehr Spannung. Doch wartet man zu lange, entstehen Nebenprodukte, die die Reaktion wieder bremsen. Diese feine Balance wollen die Forschenden künftig besser steuern.
Vom Labor zum Energiespeicher
Noch ist das alles Grundlagenforschung. Die Zelle wurde im Labor unter kontrollierten Bedingungen getestet, nicht in einem praktischen Energiesystem. Doch die Perspektive ist spannend:
Glukose ist überall verfügbar, leicht zu lagern und ungiftig. Vitamin B2 wird industriell in großen Mengen produziert. Beides sind günstige, sichere Materialien – ein Vorteil gegenüber Lithium, Nickel oder Vanadium, die in vielen klassischen Batterien stecken.
Die Forschenden sehen ihr Konzept daher als Grundlage für stationäre Energiespeicher – also Systeme, die etwa überschüssigen Solarstrom aufnehmen und später wieder abgeben. Solche Speicher müssen nicht besonders klein oder leicht sein, aber robust, preiswert und sicher. Und genau hier könnte das Zucker-Vitamin-Prinzip seinen Platz finden.
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