Antrieb durch Bakterien: Hybrid-Brennstoffzelle aus E.coli, Gold und Titanium

Unter normalen Umständen möchte man mit dem Bakterium Escherichia coli (E.coli) nicht unbedingt in Berührung kommen, schließlich sorgen die kleinen “Gäste” im menschlichen Körper für unangenehme, unter Umständen sogar gefährliche Durchfallerkrankungen. Aber wie so oft gibt es auch bei E. coli noch eine andere Seite der Medaille: Wissenschaftlern aus Singapur gelang es, die E. coli Bakterien für eine deutlich gemeinnützigere Rolle zu “begeistern”. Sie nutzen das Bakterium als Katalysator für eine neue Hybrid-Brennstoffzelle mit bemerkenswerter Effizienz.

E. coli Bacteria, NIAID, Flickr, CC BY-SA 2.0

Das Prinzip der mikrobiellen Brennstoffzelle

Photoelektronische Zellen nutzen Solarenergie, um eine elektrische Spannung durch Wasser zu schicken, um die Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff-Wasserstoff-Ionen zu spalten. Der Wasserstoff wird dann von der negativ geladenen Elektrode angezogen und aus dem Wasser entfernt. Diesen Prozess nennt man Elektrolyse. Gelingt es, den Wasserstoff auch zu speichern, kann die photoelektronische Zelle in Zukunft als Energiequelle genutzt werden.

Einem nicht unähnlichen Konzept folgen sogenannte mikrobielle Brennstoffzellen. Statt Solarenergie nutzen diese Zellen jedoch elektrische Spannung, die von Bakterien produziert wird. Eine mikrobielle Brennstoffzelle besteht aus einem sauerstoffarmen (anaeroben) sowie einem sauerstoffreichen (aeroben) Bereich.

Die mikrobielle Brennstoffzelle benötigt einen “Treibstoff”, in diesem Fall ein Substrat, das die Bakterien auch in der Natur für die Produktion von Energie verwenden. Dieses Substrat wird in den anaeroben Bereich der Zelle eingeleitet, wo die Bakterien es verbrauchen. Bei dieser Reaktion entsteht Kohlenstoffdioxid sowie freie Elektronen und Protonen. Die Protonen gelangen durch eine Membran auf die andere Seite der Brennstoffzelle, während die Elektronen zu der Elektrode auf anaeroben Seite gezogen werden. Durch dieses elektrochemische Gefälle entsteht eine elektrische Spannung, und durch den Kontakt von Protonen und Elektronen auf der aeroben Seite der Zelle entsteht Wasser.

Hybrid-Zelle: So effizient wie nie

Ein Team von Forschern der Nanyang Technological University in Singapur hatten nun die Idee, eine Hybrid-Brennstoffzelle aus eine photoelektronischen und einer mikrobiellen Brennstoffzelle zu erschaffen. Um dies zu verwirklichen, kreierten sie besondere Versionen beider Zellen. Für die photoelektronische Zelle nutzten sie ein Gold-Titanium-Oxid-Elektroden-System und erhöhten so deren Leitfähigkeit. Die mikrobielle Zelle dagegen wurde mit E. coli als Bakterium konstruiert und die Membran wurde mit konjugierten Oligoelektrolyten versetzt, was die Fähigkeit der Bakterien erhöht, elektrische Spannungen zu erzeugen. Die Zelle arbeitet dann normal und überträgt die elektrische Spannung an die photoelektronische Zelle, wo so die durch die Sonnenenergie erzeugte Spannung ergänzt wird. Durch diese Kombination zweier Brennstoffzellen soll eine Spannung erzeugt werden, die 70 Mal über dem Wert einer normalen photoelektrischen Zelle liegt.

Durch diese Kombination wird das Wasser in der photoelektronischen Zelle so effektiv gespaltet wie nie zuvor in einer Brennstoffzelle von gleicher Größe. Die neue Hybrid-Zelle ist noch nicht für den kommerziellen Einsatz bereit, aber es handelt sich zweifellos um einen Schritt in die richtige Richtung.