Saubere Energie aus der Umwelt oder aus einfachen Prozessen zu gewinnen, ist schon lange ein Ziel der Forschung. Bekannte Technologien wie Solarzellen, thermoelektrische Geräte und mechanische Generatoren haben allerdings einen Haken: Eine anhaltende Stromversorgung ist meist nicht möglich, weil die Energiequelle nicht kontinuierlich verfügbar bleibt. So gab es auch bereits Ansätze, die Energie zu nutzen, die in Form von Ionisierungsprozessen in der Luftfeuchtigkeit steckt. Bisherige Technologien konnten daraus allerdings nur kurzzeitig elektrische Energie bereitstellen, weil ein kontinuierlicher Nachlieferungsprozess fehlte. Doch wie die Forscher um Derek Lovley von der University of Massachusetts in Amherst berichten, haben sie nun ein Konzept zur nachhaltigen Stromversorgung aus der Luft entwickelt.
Bakterielle Protein-Nanodrähte machen es möglich
Die Grundlage der Technologie bildet dabei eine Entdeckung, die bereits 30 Jahre zurückliegt: Im Schlamm eines Flusses hatte Lovley eine ungewöhnliche Bakterienart entdeckt. Wie Untersuchungen zeigten, gewinnt Geobacter sulfoaducens Energie durch elektrische Prozesse. Dazu verdrahtet sich diese Mikrobe gleichsam über spezielle Proteine mit seiner Umwelt. Seit diesen Entdeckungen loten Lovley und seine Kollegen das technische Potenzial dieser spannenden Bakterien sowie ihrer elektrisch leitenden Protein-Nanodrähte aus. Dabei stellte das Team fest: Wenn Schichten aus den Proteinen auf bestimmte Weise mit Elektroden in Kontakt gebracht werden, entsteht Spannung. Anschließende Untersuchungen zeigten dann, dass dieser Effekt auf der starken Absorptionskraft der Geobacter-Proteine gegenüber Luftfeuchtigkeit beruht. Nun ist es den Forschern gelungen, diesen Effekt technisch nutzbar zu machen.
Wie sie erklären, besteht ihr „Air-Gen“ genanntes Gerät aus einer zehn Mikrometer dicken Schicht aus Protein-Nanodrähten. Dieses Bauteil ist von unten komplett mit einer flächigen Elektrode aus Gold bedeckt. Von oben ist die Schicht mit einer weiteren Elektrode verbunden, die nur einen kleinen Teil der Protein-Oberfläche versiegelt. Dort sind Protein-Nanodrähte somit der Luftfeuchtigkeit direkt ausgesetzt und binden sie intensiv. Im unteren Bereich ist dies durch den abschirmenden Effekt der flächigen Elektrode hingegen nicht der Fall. So entsteht ein sich selbst erhaltender Gradient der Wassersättigung, durch den Spannung erzeugt wird, erklären die Wissenschaftler: Durch Prozesse bei der Bindung der Luftfeuchtigkeit wird der obere Bereich des Elements zum Minuspol und der untere zum Pluspol.
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Die Luftfeuchtigkeit lässt Lampen leuchten
Wie die Forscher berichten, kann eine Air-Gen-Einheit eine anhaltende Spannung von ungefähr 0,5 Volt und eine Stromstärke von ungefähr 17 Mikroampere pro Quadratzentimeter liefern. Durch die Verknüpfung von mehreren Einheiten können dann höhere Spannungen und Stromstärken erreicht werden, die Geräte mit Energie versorgen. So brachten die Forscher etwa eine LED-Lampe zum Leuchten – mit der Energie aus der Luft.
Lovley und seine Kollegen sehen in dem Konzept nun erhebliches Potenzial: Die Technologie ist umweltfreundlich, erneuerbar und kostengünstig und kann rund um die Uhr Energie liefern. Dazu ist auch keine besonders hohe Luftfeuchtigkeit nötig, betonen die Forscher: Sogar in Wüstengebieten reicht sie zur Herstellung des Sättigungs-Gradienten in dem Generator. Auch die bakteriellen Proteine lassen sich ihnen zufolge mittlerweile massenhaft herstellen: Die Wissenschaftler ernten sie nicht mehr von dem schwierig zu züchtenden Geobacter – sie haben Laborbakterien mit dem genetischen Programm zur Herstellung der Substanz ausgerüstet. „Wir haben E. coli-Bakterien in Protein-Nanodrahtfabriken verwandelt“, sagt Lovley.
Ausbaupotenzial
Die Forscher glauben, dass ihre Erfindung möglicherweise schon bald kommerziell verfügbar sein könnte. Momentan arbeiten sie etwa an kleinen Air-Gen-Patches, mit denen tragbare Elektronik wie Gesundheits- und Fitnessmonitore und Smartwatches betrieben werden könnten. „Das ultimative Ziel ist allerdings die Entwicklung von noch leistungsfähigeren Systemen“, sagt der Erstautor der Studie Jun Yao. „Zum Beispiel könnte die Technologie in Wandoberflächen integriert werden, die zur Stromversorgung von Gebäuden beitragen. Sobald wir die Proteine im industriellen Maßstab produzieren können, sind große Systeme denkbar, die einen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung leisten können“, sagt der Wissenschaftler.
University of Massachusetts Amherst, Fachartikel: Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2010-9
Quelle: Strom aus der Luft gegriffen - wissenschaft.de