- Die von den Forschern entwickelte Bakterienbatterie ist von der Struktur der Darmzotten im menschlichen Dünndarm inspiriert.
- Die Batterie hielt während der Testphase eine Ausgangsspannung von etwa 0,75 Volt für 14 Stunden aufrecht.
- Die bakteriengetriebene Batterie nutzt die Stoffwechselaktivität von Mikroben zur Stromerzeugung und kann in Abwasserleitungen installiert werden.
- Die Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium und es sind Verbesserungen der Bakterienverteilung erforderlich, um die Leistung zu steigern.
Forscher der Binghamton University haben eine von menschlichem Dünndarm inspirierte, bakteriengetriebene Batterie entwickelt, die während der Testphase eine Ausgangsspannung von etwa 0,75 Volt für 14 Stunden aufrechterhielt. Das Gerät verwendet eine flexible, fingerähnliche Struktur, die von den Darmzotten inspiriert ist, um mehr Platz für das Wachstum von Bakterien zu bieten und gleichzeitig die Nährstoffübertragung und Abfallbeseitigung zu verbessern. Diese kleinen Ausstülpungen helfen normalerweise dem Darm, Nährstoffe aufzunehmen, und tragen zur Verbesserung des Modells bei, das auf sporenbildenden Bakterien zur Stromerzeugung basiert. Das Forschungsteam stellte diese Strukturen aus flexiblem Polymerhydrogel her und bettete Bacillus subtilis darin ein.
Diese Strukturen fungieren als Anode der Batterie, wobei die Aktivität der Bakterien zur Stromerzeugung beiträgt. Das Team erklärte, dass diese Technologie letztendlich in Abwasserleitungen installiert werden könnte, um organische Abfälle als Nährstoffquelle zu nutzen und Strom für energiearme Geräte zu erzeugen.
Funktionsweise der Bakterienbatterie
Bakteriengetriebene Batterien erzeugen Strom, indem sie die Stoffwechselaktivität von Mikroben nutzen. Ihre Leistung hängt jedoch teilweise von der Effizienz ab, mit der Bakterien Nährstoffe aufnehmen und Abfälle abgeben. Traditionelle zweidimensionale Elektroden bieten nur eine begrenzte Oberfläche für das Wachstum von Bakterien. Poröse Materialien bieten zwar zusätzlichen Raum, können jedoch durch die Bildung von Biofilmen, die die Bewegung von Nährstoffen und Abfällen einschränken, verstopfen. „Poröse Strukturen sind anfällig für die Bildung von Biofilmen, weshalb wir viele Probleme in Bezug auf Nährstoffübertragung, Abfallansammlung oder ungleichmäßiges Wachstum von Biofilmen haben“, erklärte Professor Choi Seung-hoon von der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik der Binghamton University.
Um diese Probleme zu lösen, wandten sich Professor Choi und seine Doktoranden Zhang Ruohan und Wang Botian der Struktur des Dünndarms zu. Die Darmzotten bieten eine größere Oberfläche und ermöglichen gleichzeitig die Bewegung von Nährstoffen über relativ kurze Distanzen. Die Forscher versuchten, diese Vorteile in flexiblen Batteriekathoden nachzubilden.
Zukünftige Anwendungen und Herausforderungen
Sie schufen fingerähnliche Ausstülpungen aus einem Polymerhydrogel, das häufig in biomedizinischen Anwendungen verwendet wird. Dieses Material ermöglicht es ihnen, dreidimensionale Strukturen zu bauen, die eine gleichmäßige Verteilung von Bakterien über die gesamte Elektrode ermöglichen. Die bakterienhaltige Struktur bildet die Anode, während die verbesserte Kohlenstofffaser-Kathode auf der gegenüberliegenden Seite der Ionenaustauschmembran positioniert ist. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um Strom zu erzeugen, während die Bakterien Nährstoffe metabolisieren. Die Forscher stellen sich vor, zukünftige Versionen der Bio-Batterie in Abwasserleitungen zu platzieren, damit Mikroben organische Stoffe im Wasser als Brennstoff nutzen können. „Wir können diese Bio-Batterie in Abwasserleitungen platzieren, da sie sich leicht in die Umgebung integrieren lässt“, sagte Professor Choi.
Das flexible Hydrogel ermöglicht es der Batterie, sich an verschiedene Rohrformen und -größen anzupassen. Solche Systeme könnten letztendlich kleine Sensoren mit Strom versorgen, ohne dass herkömmliche Batterien erforderlich sind.
Die Forschung befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium. Die im Bericht angegebene Spannung wurde unter kontinuierlicher Zufuhr von Nährmedium aufrechterhalten, und das Team hat noch nicht gezeigt, wie das System in Abwasserleitungen funktioniert. Die Forscher hoffen auch, den Herstellungsprozess durch einen einstufigen Druckvorgang zu vereinfachen, um die Struktur leichter in großen Mengen produzieren zu können. Ein weiteres Ziel ist es, die Verteilung der Bakterien im Gerät zu verbessern. Im menschlichen Darm sind Mikroben hauptsächlich in der Schleimschicht nahe der Oberfläche der Darmzotten konzentriert. Das aktuelle Design sieht vor, Bakterien im gesamten Hydrogel einzubetten. Zukünftige Arbeiten werden untersuchen, ob die Nachbildung weiterer physikalischer und chemischer Bedingungen des Darms dazu beitragen kann, die Aktivität der Bakterien aufrechtzuerhalten und die Leistung zu verbessern.
Die relevanten Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Small“ veröffentlicht.
Potenzielle Anwendungen und Entwicklungsmöglichkeiten der Bakterienbatterie
Die Entwicklung der bakteriengetriebenen Batterie zeigt das Potenzial der Biotechnologie im Energiesektor, insbesondere bei der Stromerzeugung aus organischen Stoffen in Abwasser. Diese Technologie kann nicht nur kontinuierliche Energie für energiearme Geräte bereitstellen, sondern auch die Umweltauswirkungen herkömmlicher Batterien reduzieren. Allerdings steht die Technologie derzeit vor Herausforderungen, einschließlich der effektiven Verteilung von Bakterien und der Bildung von Biofilmen. Zukünftige Forschungen werden sich darauf konzentrieren, wie diese Faktoren optimiert werden können, um die Batterieleistung zu steigern und ihre kommerzielle Anwendung voranzutreiben.