Mikroben produzieren Energie für die Bio-Brennstoffzelle
Aus Müll oder Klärschlamm hochwertige Energie herzustellen.
Fortschritte gibt es jetzt bei der Weiterentwicklung der Bio-Brennstoffzelle zu vermelden. Wissenschaftlern der Ernst Moritz Arndt Universität in Greifswald ist es gelungen, den energiegewinnenden Stoffwechselprozess von Mikroben mit dem Stromkreis zu „verdrahten“. Der Clou dabei ist eine neuartig beschichtete biokompatible und elektrokatalytisch aktive Anode: Eine Platinelektrode wurde dazu mit einer Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Kunststoff Polyanilin überzogen. Sie nimmt die Elektronen aus dem Stoffwechsel der Bakterien auf und überträgt sie auf die Anode.
„Während die Mikroorganismen munter in einem Tank Glukose verstoffwechseln, wird die Fermentationsbrühe kontinuierlich durch einen separaten Anodenraum gepumpt“, erläutert Projektleiter Uwe Schröder vom Institut für Chemie und Biochemie der Uni Greifswald. Dieser Anodenraum ist durch eine halbdurchlässige Membran vom Kathodenraum getrennt.
Aber noch ein Problem wurde von den Greifswaldern gelöst: Während des Betriebs wird die Zelle durch bakterielle Stoffwechselprodukte, die sich an einer unbeschichteten Anode anlagern, rasch unbrauchbar. Stabilere Polymere sowie regelmäßige Spannungspulse, die die Ablagerungen von der Anode ablösen, vermeiden solche Verschmutzungen. „Damit ist uns der Schritt vom Mikro- in den Milliampère-Bereich gelungen“, berichtet Schröder. „Unsere neuartige Bio-Brennstoffzelle gibt jetzt kontinuierlich bis zu 1,5 mA Strom je cm2 Fläche ab.“
Mikroben produzieren Energie für die Bio-Brennstoffzelle
Das ist zwar noch nicht viel, aber die Masse macht“s: Später einmal sollen den Bio-Brennstoffzellen pflanzliche Abfälle bis hin zu Klärschlämmen als „Futter“ dienen. Damit könnte ein lang gehegter Traum in Erfüllung gehen, nämlich aus Dreck und Müll hochwertige Energie herzustellen. Erste Tests mit Klärschlämmen sind inzwischen in Greifswald erfolgreich verlaufen.
Auch Wissenschaftler der Pennsylvania State University arbeiten an einer Brennstoffzelle, die mit häuslichem Abwasser gespeist werden kann. Die Microbial Fuel Cell (MFC) nutzt chemische Prozesse wie sie ganz ähnlich auch bei der Verdauung ablaufen: Bakterien zersetzen die im Abwasser vorhandene organische Materie. Dabei werden Elektronen freigesetzt, die sich normalerweise sofort mit Sauerstoff verbinden würden. Indem der Sauerstoff fern gehalten wird, können die Elektronen zur Stromerzeugung genutzt werden.
Der Einkammer-Prototyp der MFC-Brennstoffzelle besteht aus einer 15 cm langen, 6 cm durchmessenden Röhre mit einer Kathode aus Kunststoff, Kohlenstoff und Platin im Zentrum, die von einer für Protonen durchlässigen Membran umgeben ist. Um die Kathode herum fungieren acht Grafitzapfen als Anode. Wird Schmutzwasser hindurch geleitet, sammeln sich die im Wasser enthaltenen Bakterien an den Grafitzapfen, wo sie ihr Zersetzungswerk bewerkstelligen. Die dabei freigesetzten Protonen wandern zur Kathode, die Elektronen zu den Anoden. Von dort werden sie über einen externen Stromkreislauf zur Anode geleitet, wo sie sich mit den Protonen und Sauerstoff aus der Luft zu Wasser verbinden.
Bisher konnten die US-Forscher eine spezifische Leistung zwischen 10 mW/m2 und 50 mW/m2 Elektrodenfläche erzeugen. Dies ergibt etwa 5 % der Energie, die für den Betrieb einer kleinen Lampe einer Weihnachtsbaumbeleuchtung nötig ist. Ein Zehntel dessen, was den Berechnungen der Wissenschaftler zufolge möglich sein müsste. Frühere, mit Glukose arbeitende Modelle hatten noch mit zwei Kammern für Anode und Kathode gearbeitet, was ihre Zusammenschaltung zu großen Systemen erschwert hätte.
„Diese Technologie befindet sich gegenwärtig in einem Entwicklungsstadium, das dem der Solarzellen vor etwa 20 bis 30 Jahren entspricht“, schätzt der Mikrobiologe Derek Lovley von der University of Massachusetts in Amherst. Auf dem heutigen Stand könnte das neue System aus den Abwässern von 100 000 Menschen etwa 51 kW elektrische Leistung erzeugen, erläutert Teamleiter Bruce Logan, Professor für Umweltingenieurwesen an der Pennsylvania State University.
Zudem reduzierten die Mikroorganismen die organische Belastung des Abwassers um 78 %. „Ein komplett neuer Ansatz,“ so Logan, „denn zuvor hat es noch nie jemand mit Haushaltsabwässern probiert“. Ein großes Anwendungsgebiet für die Microbial Fuel Cell sieht er in allen Entwicklungsländern, wo der Betrieb von Kläranlagen häufig an der fehlenden Energie scheitert. EDGAR LANGE
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