Strom aus der Luft 2

Bakterium Geobacter sulfurreducens mit leidenden Eigenschaften

“Die Idee, eine elektrische Ladung aus Luftfeuchtigkeit zu erzeugen, ist nicht neu”, schreibt der Wiener Standard. Eher unkonventionell sei allerdings, dafür biologische Eiweißstrukturen einzusetzen. Der Standard: “Das Bakterium Geobacter sulfurreducens produziert feine Fasern, sogenannte Pili, die es ihm ermöglichen, sich an Oberflächen anzuhaften. Wissenschafter entdeckten außerdem, dass diese Proteine leitende Eigenschaften besitzen, ähnlich der von künstlichen Nanodrähten.” Forscher an der Universität Massachusetts in Amherst haben sich diese Eigenschaft zu Nutze gemacht und erzeugten so eine Spannung um 0,5 Volt. Forscher in Israel gingen in puncto Luftfeuchtigkeit einen anderen Weg (s.u.: solarify.eu/strom-aus-der-luft-1).

“Neue grüne Technologie der Universität von Massachusetts Amherst erzeugt Strom ‘aus dünner Luft’. Erneuerbare Geräte könnten helfen, den Klimawandel abzuschwächen, medizinische Geräte mit Strom versorgen” überschrieben sie ihren in Nature publizierten Bericht.

Wissenschaftler an der Universität von Massachusetts Amherst haben ein Gerät entwickelt, das ein natürliches Protein zur Erzeugung von Elektrizität aus der Luftfeuchtigkeit verwendet. Diese neue Technologie könnte ihrer Meinung nach erhebliche Auswirkungen auf die Zukunft der erneuerbaren Energien, den Klimawandel und die Zukunft der Medizin haben.

Wie  in Nature berichtet, haben die Labors des Elektroingenieurs Jun Yao und des Mikrobiologen Derek Lovley ein Gerät geschaffen, das sie “Air-Gen” oder luftbetriebenen Generator nennen, mit elektrisch leitenden Protein-Nanodrähten, die von der Mikrobe Geobacter produziert werden. Der Air-Gen verbindet Elektroden so mit den Protein-Nanodrähten, dass aus dem natürlich in der Atmosphäre vorhandenen Wasserdampf elektrischer Strom erzeugt wird.

“Wir machen buchstäblich Elektrizität aus dünner Luft”, sagte Yao: “Der Air-Gen erzeugt rund um die Uhr saubere Energie”. Lovley, der über drei Jahrzehnte nachhaltige, auf der Biologie basierende elektronische Materialien entwickelt hat, fügt hinzu: “Es ist die bisher erstaunlichste und aufregendste Anwendung von Protein-Nanodrähten”.

Die im Labor von Yao entwickelte neue Technologie ist umweltfreundlich, erneuerbar und kostengünstig. Sie kann sogar in Gebieten mit extrem niedriger Luftfeuchtigkeit wie der Sahara Strom erzeugen. Sie hat erhebliche Vorteile gegenüber anderen Formen erneuerbarer Energie wie Sonne und Wind, sagt Lovley, denn im Gegensatz zu diesen anderen erneuerbaren Energiequellen benötigt der Air-Gen weder Sonnenlicht noch Wind, und “er funktioniert sogar in Innenräumen”.

Das Air-Gen-Gerät benötigt nur eine dünne Schicht von Protein-Nanodrähten mit einer Dicke von weniger als 10 Mikrometern, erklären die Forscher. Die Unterseite des Films ruht auf einer Elektrode, während eine kleinere Elektrode, die nur einen Teil des Nanodrahtfilms bedeckt, auf der Oberseite sitzt. Der Film adsorbiert Wasserdampf aus der Atmosphäre. Eine Kombination aus der elektrischen Leitfähigkeit und der Oberflächenchemie der Protein-Nanodrähte, gekoppelt mit den feinen Poren zwischen den Nanodrähten innerhalb des Films, schafft die Bedingungen, die einen elektrischen Strom zwischen den beiden Elektroden fließen lassen.

Die Forscher sagen, dass die aktuelle Generation der Air-Gen-Geräte in der Lage ist, kleine Elektronik zu betreiben, und sie erwarten, dass die Erfindung bald in kommerziellem Maßstab produziert wird. Zu den nächsten Schritten, die sie planen, gehört die Entwicklung eines kleinen Luftgen-“Patches”, der elektronische Wearables wie Gesundheits- und Fitnessmonitore und intelligente Uhren mit Strom versorgen kann, wodurch der Bedarf an herkömmlichen Batterien entfallen würde. Sie hoffen auch, Luftgeneratoren für Mobiltelefone zu entwickeln, um das periodische Aufladen zu eliminieren.

Yao sagt: “Das letztendliche Ziel ist die Herstellung von Großsystemen. Die Technologie könnte zum Beispiel in Wandfarben integriert werden, die helfen könnten, das Haus mit Strom zu versorgen”, sagt Yao. Oder wir könnten eigenständige luftbetriebene Generatoren entwickeln, die Strom aus dem Netz liefern. Sobald wir bei der Drahtproduktion im industriellen Maßstab angelangt sind, erwarte ich sicher, dass wir große Systeme bauen können, die einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung leisten werden.

Um die praktischen biologischen Fähigkeiten von Geobacter weiter voranzutreiben, hat Lovleys Labor kürzlich einen neuen mikrobiellen Stamm entwickelt, mit dem sich Proteinnanodrähte schneller und kostengünstiger in Massenproduktion herstellen lassen. “Wir verwandelten E. coli in eine ‘Fabrik’ für Protein-Nanodrähte”, sagt er. “Mit diesem neuen skalierbaren Prozess wird die Versorgung mit Protein-Nanodrähten kein Engpass mehr für die Entwicklung dieser Anwendungen sein”.

Die Entdeckung der Luftgeneration spiegle eine ungewöhnliche interdisziplinäre Zusammenarbeit wider, sagen sie. Lovley entdeckte die Geobacter-Mikrobe im Schlamm des Potomac-Flusses vor mehr als 30 Jahren. Sein Labor entdeckte später ihre Fähigkeit, elektrisch leitende Protein-Nanodrähte herzustellen. Bevor Yao zur University of Massachusetts nach Amherst kam, hatte er jahrelang an der Harvard-Universität gearbeitet, wo er elektronische Geräte mit Silizium-Nanodrähten konstruierte. Sie schlossen sich zusammen, um zu prüfen, ob sich mit den aus Geobacter gewonnenen Protein-Nanodrähten nützliche elektronische Geräte herstellen lassen.

Xiaomeng Liu, Doktorand in Yaos Labor, war dabei, Sensorvorrichtungen zu entwickeln, als er etwas Unerwartetes bemerkte. Er erinnert sich: “Ich sah, dass die Geräte einen Strom erzeugten, wenn die Nanodrähte auf eine bestimmte Art und Weise Elektroden kontaktierten. Ich stellte fest, dass die Exposition gegenüber atmosphärischer Feuchtigkeit unerlässlich war und dass die Protein-Nanodrähte Wasser adsorbierten, was einen Spannungsgradienten über dem Gerät erzeugte.

Neben der Luftgeneration hat Yaos Labor mehrere andere Anwendungen mit den Protein-Nanodrähten entwickelt. “Dies ist erst der Beginn einer neuen Ära von elektronischen Geräten auf Proteinbasis”, sagte Yao.

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