Algen-Akkus und Strombäume
Der aktuelle Elektroauto-Boom ist womöglich mehr Hoffnung, als dass er auf Realität basiert: Die heutige Batterietechnik ist kaum geeignet, Millionen Automobile anzutreiben. Die Ideen zum Akkukonzept der Zukunft schwanken zwischen „exotisch-phantastisch“ und „wie bisher, nur anders“. US-Wissenschaftler verwandeln Bäume unterdessen in lebende Stromquellen.
- Matthias Gräbner
Dass der schmucke Elektroflitzer Tesla Roadster von knapp 7000 Standard-Akkus der Bauform 18650 (Einzelpreis: um die zehn Euro) angetrieben wird, ist ein Symptom für die Krise, vor der Elektroautos stehen, bevor sie überhaupt in bezahlbarer Form auf dem Markt sind. Die Technologie der Stromspeicher tritt seit Jahren im Prinzip auf der Stelle. Womöglich steht sie an einem Scheideweg: Soll man weiterhin auf Lithium als Elektrodenmaterial setzen? Dafür spricht die relativ hohe Energiedichte. Und immerhin konnte man den Lithium-Ionen-Akku schon verbessern, indem man auf einen Elektrolyt auf Polymerbasis setzt. Mit einer 150 Kilogramm schweren Lithium-Ionen-Batterie könnte ein Elektroauto 100 Kilometer weit fahren. Doch das 150 Kilogramm schwere Exemplar gibt es nicht – stattdessen muss man auf Pakete aus vielen kleinen Zellen setzen.
Neue Materialien, meint man nun, könnten die Kapazität steigern, sodass die Zahl benötigter Zellen sinkt. Eine Kathode aus Lithium-Eisenphosphat (statt wie meist üblich Lithium-Kobaltoxid) etwa sorgt dafür, dass die Zellen besser gegen Überladung geschützt sind. Englische Forscher versuchen jetzt im Rahmen des STAIR-Projekts [1], auf die Kathode ganz zu verzichten. Besser gesagt: Als Kathode fungiert nun poröser Kohlenstoff. In dieser Kathode reagieren die positiv geladenen Lithium-Ionen aus der Anode mit Sauerstoff aus der Luft unter dem Einfluss des Katalysators Manganoxid. Die Batterie atmet also. Beim Ladevorgang ist der Prozess reversibel – dem Akkuprinzip ist genüge getan. Die beteiligten Forscher schätzen, dass sich die Kapazität von Lithium-Akkus auf diese Weise verachtfachen bis verzehnfachen ließe.
Lithium-Mangel
Aber ist Lithium überhaupt das geeignete Material für die grüne Auto-Revolution? Das Leichtmetall hat zwar an der Erdkruste einen höheren Anteil als etwa Zinn oder Blei. Es lässt sich aber nur schwer aus Mineralen gewinnen. Der größte Teil des weltweit verwendeten Lithiums wird deshalb aus Salzen hergestellt. Entsprechende Vorkommen konzentrieren sich auf Argentinien, Bolivien, Chile und das von China kontrollierte Tibet. Das französische Beratungsunternehmen Meridian International Research schätzt, dass der Autoindustrie 2015 etwa 30 000 Tonnen Lithium zur Verfügung stehen dürften – das würde für weniger als 1,5 Millionen Hybridfahrzeuge reichen.
Schon melden sich deshalb die Zinkproduzenten zu Wort. Zink-Kohle-Batterien kennen wir noch aus der Kindheit – die 4,5-Volt-Flachbatterien bestanden daraus. Als Alkali-Mangan-Batterie liefert Zink aber noch immer in vielen Geräten der Unterhaltungselektronik Strom – sie müsste nach dem Material ihrer beiden Elektroden eigentlich Zink-Mangandioxid-Batterie heißen. Zink steht in der Häufigkeit der Elemente schon an 24. Stelle, Zinkerzlagerstätten gibt es sogar in Deutschland. Vor allem der Zink-Luft-Batterie, die derzeit insbesondere in Hörgeräten Anwendung findet, sagt man großes Potenzial nach. Schon ihr Nebeneffekt ist interessant: Zink-Luft-Zellen müsste man einen CO2-Abscheider beifügen – ein so angetriebenes Vehikel würde also aktiv Kohlendioxid aus der Luft filtern, steigender Verkehr die CO2-Konzentration also senken.
In eine ganz andere Richtung haben schwedische Forscher geschaut: Sie ersetzen das Lithium in einer Lithium-Polymer-Batterie durch Zellulose. Näm-lich eine spezielle Form der Zellulose, die sie aus Cladophora-Algen gewonnen haben. Die Zellstruktur dieser in der Ostsee eher lästigen Alge unterscheidet sich stark von der der meisten Pflanzen – und zwar derart, dass sich eine besonders große Oberfläche ergibt. Die Algen-Zellulose eignet sich damit sehr gut als Elektrode in einer Batterie, wie die Forscher in einem Artikel in Nano Letters [2] beschreiben. Mit einem ausreichend starken Mixer könnte man solche Akkus im Prinzip auch zu Hause herstellen, erklärt Maria Strømme, Professorin für Nanotechnologie am ∼Ångström Laboratory der Uppsala University, den Vorteil der zudem äußerst leichten Batterie.
Ein neues Konzept der US-Firma Ceramatec ist hingegen etwa so schwer und groß wie ein Kühlschrank [3]. Die Firma setzt auf eine Natrium-Schwefel-Zelle. Solche Batterien arbeiten normalerweise mit einer sehr hohen Betriebstemperatur von über 300°C, da die Betriebsstoffe hier flüssig vorliegen müssen. NaS-Zellen entladen sich elektrochemisch nicht selbst und besitzen eine hohe Speicherkapazität. Ceramatec will nun das Problem der hohen Betriebstemperatur gelöst haben, das bisher verhinderte, dass man solche Akkus etwa im Keller zur Speicherung des selbst erzeugten Solarstroms einsetzt. Eine Einheit von der Größe eines Kühlschranks, zu haben für um die 2000 Dollar, könnte etwa 20 kWh speichern und mit bis zu fünf Kilowatt belastbar sein, verspricht die Firma – allerdings rechnet man mit einer Marktreife erst ab 2011.
Flower Power
Doch nicht nur Energiespeicherung ist Gegenstand aktueller Forschungen – in den USA werden jetzt sogar Bäume angezapft, um ihnen Energie zu entlocken: Carlton Himes hat im vergangenen Sommer Nägel in einige hundert Ahornbäume geschlagen – alles Angehörige der Gattung Acer Macrophyllum, des Oregon-Ahorns. Himes ist allerdings kein Botaniker – er studiert Elektrotechnik an der University of Washington in Seattle. Hier ist er Teil der Forschungsgruppe um Professor Babak Parviz. In einem im Fachmagazin Transactions on Nanotechnology erschienen Paper [4] beschreiben die Forscher den Sinn der Nägel und der an sie angeschlossenen Schaltkreise: Die Ahornbäume liefern auf diese Weise Energie.
Zwar können die Bäume weder Kraftwerke noch Sonnenkollektoren ersetzen – dafür ist die Ausbeute zu gering. Die Wissenschaftler denken aber an Sensornetzwerke, die die meiste Zeit beinahe untätig herumliegen und nur in langen Zeitabständen oder im Fall besonderer Messwerte per Funk Bericht erstatten müssen. Dazu haben die Forscher eine Mischung aus Spannungskonverter und Energiespeicher konstruiert. Die von den Bäumen gelieferte Spannung von etwa 40 Mikrovolt wird auf 1,1 Volt konvertiert und in kleinen Ladungseinheiten gespeichert. Ist der Zwischenspeicher gefüllt, kann der daraus gespeiste Sensor tätig werden. Mit den von den Wissenschaftlern konstruierten ICs könnten die Sensoren pro Tag insgesamt etwa sechs Minuten lang eine Leistung von zehn Mikrowatt liefern. Das würde etwa für ein Mesh-Network von Brandsensoren im Wald ausreichen.
Doch woher kommt der Strom? Wer sich für Chemie interessiert, kennt womöglich die Kartoffel-Batterie. Es genügt, zwei Elektroden in ein leitendes Material einzubringen – in diesem Fall eine Kartoffel, aber auch eine Zitrone eignet sich gut. Die beiden Elektroden bilden mit dem Elektrolyt, dem Fleisch der Kartoffel, ein galvanisches Element, es fließt ein Strom. Allerdings muss es sich um Elektroden aus unterschiedlichen Materialien handeln – und mit der Zeit lösen sich die Elektroden bei diesem Experiment auch auf.
Die Forscher verwendeten deshalb bewusst Elektroden aus identischem Material, nämlich 3,8 Zentimeter lange und 1,3 Millimeter dicke Stahlnägel. Über die Quelle des so gewonnenen Stroms ist sich Babak Parviz, der Leiter der Gruppe, deshalb nicht ganz sicher: „Es gibt verschiedene Typen chemischer Gradienten in der Struktur eines Baums, die zur Entstehung der Spannung beitragen könnten“, meint Parviz auf c't-Anfrage.
In einem Artikel im Online-Wissenschaftsmagazin PloS One [5] zeigten Forscher allerdings, dass wohl nur eine Differenz der pH-Werte zwischen Pflanze und umgebendem Boden als Erklärung taugt. Das mag vielleicht desillusionierend sein, es führt aber auch zu der Schlussfolgerung, dass eine dauerhafte Nutzung zur Stromgewinnung dem Baum (und jeder anderen Pflanze) kaum schaden dürfte.
Mesh-Network
Ganz neu ist die Technik, Strom aus Bäumen zu gewinnen, aber offenbar nicht. Es existiert sogar bereits eine Firma namens Voltree, die die Technologie kommerzialisieren will. Voltree-CEO Stella Karavas freut sich gegenüber c't: „Wir verstehen, dass eine Wissenschaftlergruppe an der University of Washington bestätigt hat, dass es möglich ist, Energie aus Bäumen zu beziehen – eine Technologie, die in breitem Maße durch Voltrees bereits erteilte und beantragte Patente abgedeckt ist. Mit solch unabhängiger Bestätigung und unseren eingetragenen Rechten freuen wir uns über Anfragen potenzieller Projektpartner.“
Tatsächlich ist Voltree derzeit dabei, ein „Early Wildfire Alert Network“ zu konstruieren, das aus Tausenden von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren besteht, die ihre Ergebnisse in Form eines Mesh-Networks weitergeben. Bei diesen wird man allerdings nicht mehr regelmäßig ebenso viele Batterien austauschen müssen, weil der von Voltree entwickelte Bioenergy-Converter die nötige Energie liefert. Dessen Lebenszeit ist dann nur noch von der Lebenszeit seines Wirtes begrenzt. Im Juni hat ein solches Alarm-Netzwerk einen ersten, dreitägigen Test bestanden [6].
[2] Algen-Batterie
[3] Natrium-Schwefel-Zelle von Ceramatec
[4] Ahorn-Projekt
[6] Voltree-Experiment (ha)
