Gib dem Akku Zucker!

Auf dem Weg zu einer vollkommen biologischen Batterie berichten Forscher von einem großen Schritt nach vorn

Eine neu entwickelte Brennstoffzelle, die mit einem erst kürzlich entdeckten Bakterium arbeitet, soll einen Wirkungsgrad von über 80 Prozent haben. Alles was sie braucht, ist Zucker.

Brennstoffzellen gehört die Zukunft in der mobilen Elektronik, und nicht nur da. Längere Laufzeiten und eine günstigere Ökobilanz als herkömmliche Akkus, so lauten die Versprechungen. Während "herkömmliche" Brennstoffzellen wie die Polymermembran-Systeme, die Wasserstoff oder Methanol als Energieträger nutzen, bereits vielfach zum Einsatz kommen, sind deren biologische Geschwister noch experimentell. Als Katalysatoren für ihr Redoxsystem verwenden biologische Brennstoffzellen keine Metalle, sondern lebende Bakterien.

Das Prinzip ist chemisch simpel: Eine organische Ausgangssubstanz, meist ein Zucker oder eine organische Säure, wird von den Bakterien durch einen Oxidationsprozess chemisch abgebaut. Bei der Reaktion werden Elektronen frei, die durch eine geeignete Elektrode aufgefangen werden. Um die Reaktion am Laufen zu halten, benötigt man eine andere Substanz, die die frei werdenden Elektronen wieder aufnimmt, etwa dreifach positiv geladene Eisenionen.

Kein Genießer, kein Freund von Extremen: Rhodoferax ist pflegeleicht

Biologische Brennstoffzellen stehen und fallen mit den Bakterien, die verwendet werden. Das Problem ist, dass die meisten in Frage kommenden Bakterien ihre Katalysatorfunktion entweder nur bei sehr hohen Temperaturen aufrecht erhalten, oder aber dass sie mit ungünstigen Ausgangssubstanzen arbeiten, zum Beispiel bestimmten organischen Säuren, die nur aufwändig herzustellen sind. Die Forscher Swades Chaudhuri und Derek Lovley von der Abteilung für Mikrobiologie der US-amerikanischen Universität von Massachusetts-Amherst haben nun mit dem erst in diesem Jahr entdeckten Bakterium Rhodoferax ferrireducens eine biologische Brennstoffzelle hergestellt, die diese Probleme nicht haben soll. Sie berichten darüber in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Biotechnology

Rhodoferax wächst und gedeiht bei zivilen Temperaturen zwischen 4 und 30 Grad Celsius. Seine Lieblingstemperatur liegt bei etwa 25 Grad. In Gegenwart von dreifach positiv geladenen Eisenionen kann Rhodoferax eine ganze Reihe von Substraten zu Kohlendioxid oxidieren, darunter die Zucker Glucose (Traubenzucker) und Fructose (Fruchtzucker). Im Gegensatz zu einigen anderen Redox-fähigen Bakterien brauche es auch keine extremen ph-Werte, so die Forscher. Kurz gesagt: Rhodoferax ist ein Durchschnittstyp.

Doppelt so hoher Wirkungsgrad wie bei bisherigen Versuchen

Für ihre Brennstoffzelle auf Rhodoferax-Basis bauten Chaudhuri und Lovley ein Zweikammersystem, wobei die Bakterienlösung, die die Elektronen produziert, die Anodenkammer füllte, den Pluspol der Brennstoffzelle. Auf Seiten des Minuspols, der Kathode, verwendeten die Forscher Kalium-Ferricyanid. Gefüttert mit reichlich Traubenzucker begann das Redoxsystem dann, gegen einen Widerstand von 1000 Ohm einen Strom von 0,2 Milliampere aufzubauen, was im gegebenen System einer Spannung von 265 Millivolt entspricht. Der Wirkungsgrad lag bei eindrucksvollen 81 Prozent. Demnach wurden 81 Prozent der aus Glucose theoretisch herstellbaren Elektronen tatsächlich zu Strom - mehr als doppelt soviel wie in Brennstoffzellen, die mit anderen Bakterien und anderen Substraten arbeiten. Einen Teil der restlichen Glucose verbraucht das System für Fortpflanzungszwecke: Die Bakterien nämlich werden mehr, je länger die Batterie läuft.

Die potenzielle Tauglichkeit des Rhodoferax-Systems als Batterie beziehungsweise Akku ermittelten die Wissenschaftler mit einfachen Tests. Ersetzten sie die Anodenflüssigkeit durch frische Glucoselösung, so ließ sich der Apparat innerhalb von Sekunden wieder aufladen und nahm praktisch ohne Verzögerung seine Arbeit wieder auf. Das funktionierte beliebig oft. Die Wissenschaftler interpretieren das als Beweis dafür, dass sich die Bakterien an der Oberfläche der verwendeten Graphitelektroden festsetzen und dort bleiben, wenn die umgebende Flüssigkeit ausgewechselt wird. Auch eine Unterbrechung des Stromflusses für 36 Stunden wurde toleriert.