Energiespeicher Clever konstruierte Erdbatterie mit optimierter Leistung

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Die Erdbatterie braucht keine Chemikalien, sie erntet Strom von Bakterien. Bisher war die Technik jedoch sehr unzuverlässig.

Ein Forscherteam unter Leitung der Northwestern University hat eine neue Brennstoffzelle entwickelt, die Energie aus im Boden lebenden Mikroben gewinnt. Die Idee ist zwar nicht neu – bereits 1911 wurden die ersten mikrobiellen Brennstoffzellen (MFC) auf Bodenbasis vorgestellt, doch bislang galten Erdbatterien als unzuverlässig und leistungsarm.

MFC funktionieren wie eine Batterie – mit Anode, Kathode und Elektrolyt. Anstatt jedoch Chemikalien zur Stromerzeugung zu verwenden, ernten MFCs Strom von Bakterien, die auf natürliche Weise Elektronen an nahe gelegene Leiter abgeben. Wenn diese Elektronen von der Anode zur Kathode fliessen, entsteht ein Stromkreis. Damit mikrobielle Brennstoffzellen ungestört arbeiten können, müssen sie jedoch mit Feuchtigkeit und Sauerstoff versorgt werden, was schwierig ist, wenn sie unter der Erde in trockener Erde vergraben sind.

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Clevere Konstruktion erhöht Zuverlässigkeit

Mit diesen Herausforderungen im Hinterkopf begaben sich Yen und sein Team auf eine zweijährige Reise, um eine praktische, zuverlässige bodenbasierte MFC zu entwickeln. Auf dieser Expedition wurden vier verschiedene Versionen entwickelt und verglichen. Zunächst sammelten die Forscher insgesamt neun Monate lang Daten über die Leistung der einzelnen Designs. Dann testeten sie ihre endgültige Version in einem Garten im Freien.

Der Prototyp, der am besten abschnitt, funktionierte sowohl im Trockenen als auch in einer Umgebung mit Staunässe. Das Geheimnis seines Erfolgs: seine Geometrie. Anstelle eines traditionellen Designs, bei dem Anode und Kathode parallel zueinander angeordnet sind, nutzte die siegreiche Brennstoffzelle ein senkrechtes Design:

• Die Anode aus Kohlenstofffilz, ein preiswerter, reichlich vorhandener Leiter, der die Elektronen der Mikroben auffängt, liegt waagerecht auf der Bodenoberfläche.

• Die Kathode aus einem inerten, leitfähigen Metall sitzt senkrecht über der Anode.

Obwohl das gesamte Gerät eingegraben ist, sorgt die vertikale Konstruktion dafür, dass das obere Ende bündig mit der Bodenoberfläche abschliesst. Eine 3D-gedruckte Kappe ruht auf der Oberseite des Geräts, um zu verhindern, dass Schutt ins Innere fällt. Ein Loch an der Oberseite und eine leere Luftkammer, die neben der Kathode verläuft, sorgen für einen gleichmässigen Luftstrom.

Das untere Ende der Kathode bleibt tief unter der Oberfläche, so dass sie von der feuchten, sie umgebenden Erde mit Feuchtigkeit versorgt wird, selbst wenn die Oberflächenerde im Sonnenlicht austrocknet. Die Forscher haben auch einen Teil der Kathode mit wasserdichtem Material beschichtet, damit sie bei einer Überschwemmung atmen kann. Und nach einer möglichen Überschwemmung kann die Kathode dank des vertikalen Designs allmählich austrocknen und nicht auf einmal.

Robust und leisungsstark

Um die neue Brennstoffzelle zu testen, versorgten die Forscher damit Sensoren zur Messung der Bodenfeuchtigkeit und zur Erkennung von Berührungen, was für das Aufspüren vorbeiziehender Tiere nützlich sein könnte. Um eine drahtlose Kommunikation zu ermöglichen, statteten die Forscher den bodenbetriebenen Sensor ausserdem mit einer winzigen Antenne aus, die durch Reflexion vorhandener Hochfrequenzsignale Daten an eine benachbarte Basisstation sendet. Die Brennstoffzelle erzeugte im Durchschnitt 68 Mal mehr Strom als für den Betrieb der Sensoren erforderlich war. Ausserdem war sie robust genug, um grossen Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit standzuhalten – von einigermassen trocken (41 Volumenprozent Wasser) bis hin zu völlig unter Wasser.

Wenn genügend Kohlenstoff im Boden vorhanden ist und die Mikroben gut versorgt werden, hält die Batterie dauerhaft; es sei denn, die Komponenten erliegen dem Zahn der Zeit. Das Gerät, das in etwa die Grösse eines Taschenbuchs hat, soll sich für beinahe jede Art von Boden eignen. Die Brennstoffzelle funktionierte nicht nur sowohl unter nassen als auch unter trockenen Bedingungen, sondern ihre Leistung übertraf auch ähnliche Technologien um 120 Prozent. Sie könnte beispielsweise Batterien in Sensoren für die Präzisionslandwirtschaft ersetzen.

Forschungsergebnisse sind frei zugänglich

Die Forschungsergebnisse wurden in den Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies veröffentlicht. Die Autoren der Studie geben auch alle Entwürfe, Anleitungen und Simulationswerkzeuge für die Öffentlichkeit frei, damit andere die Forschungsergebnisse nutzen und darauf aufbauen können.

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