Skurrile Erfindung: Einfache Sensoren könnten künftig vielleicht mit Batterien aus Papier und Bakterien betrieben werden Diese neuartigen Papierbatterien bestehen nur aus einem dünnen Papierstreifen mit aufgedruckten Elektroden. Der Clou dabei: Elektronen und damit Strom erzeugen sogenannte exoelektrogene Bakterien, Mikroben, die beim Abbau organischer Substanz Elektronen freisetzen. Das macht diese Batterien zu einer günstigen und nachhaltigeren Alternative zu herkömmlichen Batterien.
Sie stecken in Handys, Sensoren und unzähligen anderen Elektronikgeräten: Akkus und Batterien sind für unsere moderne Technik unverzichtbar, entsprechend eifrig forschen Wissenschaftler an immer neuen Konzepten für effektivere, haltbarerer und nachhaltigere Batterien. Unter ihnen sind Lithiumakkus, die selbst extremer Kälte trotzen oder sich selbst heilen können, aber auch Batterien aus Altglas oder auf Basis von Salzwasser.
Papier als Grundstoff
Noch einen Schritt weiter sind nun Seokheun Choi und seine Kollegen von der State University of New York gegangen. Denn sie haben eine Batterie konstruiert, die aus Papier, aufgedruckten Elektroden und Bakterien besteht. Sie könnte künftig Energie für günstige Sensoren und Testkits in der Medizin oder Umweltüberwachung liefern.
„Papier hat einzigartige Vorteile als Material für Biosensoren“, erklärt Choi. „Es ist billig, wegwerfbar, flexibel und hat eine große Oberfläche.“ Schon jetzt gibt es Papierteststreifen, die durch Farbumschlag beispielsweise den pH-Wert anzeigen oder die Präsenz bestimmter Substanzen. Diese sind zwar günstig, aber noch relativ ungenau. Eine zusätzliche Stromquelle jedoch könnte die Entwicklung ebenso günstiger, aber präziserer Sensoren ermöglichen, wie die Forscher erklären.
Bakterien als Elektronenlieferanten
Die Idee der Forscher: Warum nicht auch die Batterie für solche Sensoren auf Papierbasis herstellen? „Kommerzielle Batterien sind zu teuer, nicht nachhaltig und sie können nicht gut in ein Papiersubstrat integriert werden“, erklärt Choi. „Die beste Lösung war daher eine biobasierte Papierbatterie.“ Denn diese benötigt wenig Material und wäre ebenso günstig und leicht entsorgbar wie die Papiersensoren selbst.
Für ihre neuentwickelte Papierbatterie druckten die Forscher zunächst dünne Lagen aus Metallen und anderen Substanzen als Leiterbahnen und Elektronen auf eine Papierunterlage. Dann gaben sie gefriergetrocknete Bakterien hinzu. Diese sogenannten exoelektrogenen Bakterien setzen beim Abbau organischer Substanz Elektronen frei – und produzieren damit gewissermaßen Strom.
Genug Strom für eine LED
Gibt man nun auf diese Papierstreifen Wasser oder Speichel, werden die Bakterien innerhalb weniger Minuten aktiv und produzieren Elektronen. Diese werden von den aufgedruckten Elektroden der Papierbatterie aufgenommen. In ersten Tests erzeugten die Papierbatterien auf diese Weise schon genügend Strom, um eine Leuchtdiode (LED) und einen einfachen Rechner anzutreiben, wie die Forscher berichten.
Im Moment sind diese Papierbatterien im trockenen Zustand rund vier Monate haltbar, doch die Forsche arbeiten bereits daran, ihre Haltbarkeit zu verlängern. Auch eine Verbesserung der Stromausbeute steht noch an. „Denn für die meisten praktischen Anwendungen muss die Leistung noch um fast das Tausendfache zunehmen“, sagt Choi. Das könnte aber erreicht werden, indem man die Papierstreifen stapelt oder aneinanderreiht. Die Forscher haben ihre Papierbatterie bereits zum Patent angemeldet. (American Chemical Society 256th National Meeting, 2018)
(American Chemical Society, 20.08.2018 – NPO)
