Reichlich Abwasser, ein paar Kohlenstoff-Fasern und Silberoxid – das sind die Zutaten, die eine neuartige Mikroben-Batterie benötigt. In ihr erzeugen Bakterien Strom aus Abwasser – immerhin mit einem Wirkungsgrad von mindestens 30 Prozent. Der Strom entsteht, wenn die Mikroben organisches Material unter Luftabschluss abbauen. Entsprechende Verfahren könnten einen Teil des enormen Strombedarfs von Kläranlagen decken, berichten die Forscher im Fachmagazin „Proceedings of the National Academy of Sciences“.
Manche Mikroben sind geladen – das weiß man schon seit einiger Zeit. Die sogenannten exoelektrogenen Bakterien produzieren beim Abbau organischer Substanz unter Sauerstoffmangel ein elektrisches Potenzial. Sie brauchen für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff, wie Tiere oder die meisten anderen Bakterien, sondern nutzen Mineralien als Reaktionspartner im Rahmen ihres anaeroben Stoffwechsels. Bei diesem Prozess werden Elektronen frei – seit Jahren versuchen Forscher diese einzufangen, um sie zur Stromerzeugung zu nutzen.
Kohlenstoff-Fasern als Mikroben-Lockmittel
Das „Anzapfen“ der Mikroben hat sich bisher allerdings als schwierig herausgestellt und zu keiner zufriedenstellenden Ausbeute geführt. Xing Xie von der Stanford University und seine Kollegen haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem sich die winzigen Biogeneratoren willig mit den Elektroden vernetzen. Ihre Mikroben-Batterie sieht zwar aus wie ein simpler Versuchsaufbau aus dem Chemieunterricht, in dem verdrahteten Fläschchen mit der trüben Brühe steckt aber cleveres Know-how.
Die Elektrobakterien sitzen auf einer speziellen Kohlenstofffaser-Schicht, welche die negative Elektrode (Anode) der Batterie überzieht. Die Kohlenstoff-Fasern sind ein guter elektrischer Leiter und die Mikroben mögen sie offenbar auch: Sie bilden fädige Haftorgane aus, über die sie sich mit ihnen verbinden, wie elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen. Etwa hundert Bakterien passen Seite an Seite auf die Breite eines Haares, erklären die Forscher.
Silber als Elektronenfänger
Umspült werden die biologischen Kraftwerke von Abwasser, das ihnen als Futterquelle dient. Wenn sie die darin gelöste organische Substanz verstoffwechseln, werden Elektronen frei, die über das Kohlenstoff-Material der Anode abfließen. Sie wandern zum Gegenstück, der Kathode, die aus Silberoxid besteht und damit aus einem Material, das Elektronen aufnehmen kann: Die Elektronen reduzieren das Silberoxid zu Silber – ein Prozess der umkehrbar ist.
Die Kathode hat sich nach etwa einem Tag weitgehend in Silber verwandelt. Nun kann sie aus der Batterie entfernt und durch Sauerstoff wieder oxidiert werden, um in der Batterie erneut Elektronen aufnehmen zu können. Den Forschern zufolge können die Bakterien auf diese Weise dem Menschen etwa 30 Prozent der Energie zur Verfügung stellen, die im Abwasser gebunden ist. Diese Energie könnte vor allem direkt in Kläranlagen genutzt werden, denn sie haben einen enormen Stromverbrauch: Er entsteht größtenteils durch die Systeme, die Luft in das Abwasser leiten, damit die Sauerstoff-bedürftigen Bakterien in den Klärbecken ihre reinigende Arbeit leisten können.
Damit sich das System für eine rentable Stromerzeugung eignet, ist aber noch eine Hürde zu überwinden, wie die Forscher einräumen: Silber als Kathodenmaterial ist zu teuer für eine kommerzielle Nutzung. Xing Xie und seine Kollgegen suchen deshalb nun nach preiswerteren Alternativen für das Aufnahmemedium der Elektronen ihrer Elektro-Bakterien. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; doi: 10.1073/pnas.1307327110)
(PNAS / Stanford School of Engineering, 17.09.2013 – MVI)
