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Innovative Energiequellen: Biostrombatterie aus Abwasser und Keimen

Mikrobielle Batterie

Schmutzwasser, etwas Silberoxid, die richtigen Mikroben und ein paar Drähte sind die Ingredenzien für eine innovative mikrobiologische Batterie: Sie baut allerlei organische Abfälle ab und produziert dabei nennenswerte Mengen an Strom, berichtet ein US-amerikanisches Forscherteam nach dem erfolgreichen Test eines Prototypen.

Den Wissenschaftler um Yi Cui von der Stanford University gelang es, für ihre verbesserte mikrobielle Brennstoffzelle das ungewöhnliche Knowhow der so genannten exoelektrogenen Bakterien für ihre Zwecke einzuspannen. Die Bakterien nutzen – anders als bei der normalen Atmung üblich – das sie umgebende Substrat als Elektronenspender. Vor allem aber werden die abgezogenen Elektronen aus den oxidierten Substraten von den Keimen über größere Strecken abgepumpt, bis sie in Energie produzierende Prozesse eingespeist werden können.

Mikrobielle Batterie | Elektroden im Schmutzwasser: Auf der Anode siedeln Bakterien, die organischen Schmutzmolekülen Elektronen entziehen – und schließlich so für einen Stromfluss Richtung Kathode sorgen.

Diesen Elektronenfluss haben Cui und Co nun angezapft: Sie siedelten Kolonien ihres besonderen Keimmixes auf einer gut leitfähigen Kohlenstoffanode an, die sie dann in eine stark mit organischen Abfällen angereichte Schmutzwasserlösung applizierten. Die Bakterien oxidierten die verfügbaren Organoabfälle im Wasser allmählich – etwa zu Kohlendioxid und Wasser – und leiteten die bei dem Prozess anfallenden Elektronen auf die negative Elektrode. Von dort fließen sie dann als Strom Richtung Kathode. Diese bestand aus Silberoxid, sie wurde nach und nach zu elementarem Silber oxidiert und musste daher nach gut einem Tag ausgetauscht und reoxidiert werden. Der Potenzialunterschied zwischen Anode und Kathode reichte zumindest im Prototypen der Forscher aus, um Strom fließen zu lassen. Zudem siedeln sich wegen der antimikrobiellen Wirkung des Silbers keine Keime an der Kathode an – dies macht eine ionenaustauschfähige Trennung zwischen Anoden- und Kathodenraum überflüssig und die Konstruktionsanforderung für die Apparatur erfreulich schlicht.

Etwa 30 Prozent der im Schmutzwasser in Form oxidierbarer Substanzen enthaltenen Energie kann mit dem Prozess in Strom umgewandelt werden, schätzen die Autoren – eine Effizienz, die der modernster Solarzellen bei der Umwandlung von Sonnenlicht entspricht (wobei die Sonne natürlich deutlich mehr Energie liefert). Eine weiter ausgereifte Brennstoffzelle könnte etwa in Kläranlagen nützlich sein, deren Arbeit in den Industrieländern noch immer – vor allem infolge der Pumparbeit von Sauerstoff in den Klärbecken – zu den größten Stromfressern gehört: Das Bundesumweltamt schätzte 2009 den Gesamtstromverbrauch der 10 000 Kläranlagen in Deutschland als ähnlich hoch ein wie den von 900 000 Vier-Personen-Haushalten; die Anlagen verbrauchen im kommunalen Bereich meist mehr als Schulen oder Krankenhäuser.

Keime als Exoelektronen-Pumpen | Mehr als 100 Keime (hier in der Elektronenmikroskop-Aufnahme als Klumpen weißer Stäbchen zu erkennen) würden locker auf einer Haarbreite Platz finden. Die Mikroben heften sich an die gut leitenden Kohlenstofffilamente der Anode.

Dem könnten die exoelektronisch-mikrobiell angetriebenen Batterien entgegenarbeiten, indem sie gleichzeitig Strom produzieren und dabei sogar noch die Abwässer klären. Der im Labormaßstab durchaus funktionsfähige Prototyp sorgte für eine über vier Stunden allmählich von 0,7 bis 0,4 Volt abfallende Spannung, während die Anodenkeime nach und nach Abwasser aus der Universitätskläranlage verstoffwechselten. Er eignet sich allerdings noch nicht für den industriellen Einsatz, so die Forscher: Vor allem ist das Elektrodenmaterial Silber zu kostspielig. Sollte hier eine kostengünstige Alternative gefunden werden, könnte das Prinzip nicht nur Abwasser zu Strom machen, sondern womöglich auch in eutrophierten Ökosystemen, Meeressedimenten oder an anderen Orten zum Einsatz kommen, in denen verwertbare organische Verbindungen in großen Mengen anfallen, hoffen die Forscher.

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