Biosolare Brennstoffzelle
Bakterien könnten IoT-Sensoren mit Strom versorgen
Im Internet der Dinge könnte so ziemlich jedes Objekt vernetzt sein. Doch die Stromversorgung solcher Dinge stellt eine Herausforderung dar, besonders wenn es kurzlebige Verbrauchsartikel sind. Eine biosolare Brennstoffzelle mit Bakterien könnte die Energie liefern.
Heute leben wir in einer Welt, in der viele unserer Geräte miteinander vernetzt sind, von Computern und Thermostaten bis hin zu Kühlschränken und Smart Watches. Zukunftsforscher denken allerdings größer. Dank preiswerter Mikrochips und allgegenwärtiger Funknetze stellen sie sich ein Internet der Dinge vor, in dem so ziemlich jedes Objekt – ob groß oder klein – Informationen in die Cloud einspeisen kann, ohne dass ein Mensch beteiligt ist.
Doch da stellt sich ein Problem: Wie sollen all diese Sensoren mit Energie versorgt werden, damit sie diese Aufgaben erfüllen können? Neue Forschungsergebnisse der Binghamton University könnten die Antwort liefern. In einer Studie, die im Juni in der Zeitschrift Nano Energy veröffentlicht werden soll, hat Seokheun Choi, Associate Professor für Elektrotechnik und Informatik an der Thomas J. Watson School of Engineering and Applied Science und Direktor des Center for Research in Advanced Sensing Technologies & Environmental Sustainability (CREATES), hat die Wirksamkeit einer neu entwickelten Biosolarzelle nachgewiesen.
Die nur 3,5 cm × 2,4 cm große Zelle erzeugt Strom mit Hilfe von zwei Arten von Bakterien. Die eine ist Art betreibt Fotosynthese. Wie Pflanzen nutzt sie das Sonnenlicht, um Kohlendioxid und Wasser in Nährstoffe umzuwandeln. Die zweite Art von Bakterien lebt von dieser Nahrung und treibt die Zelle durch metabolische Atmung an. Da die beiden Bakterien eine Symbiose eingegangen sind, liefern sie Strom für vier Tage – ein Fortschritt gegenüber ähnlichen Biobrennstoffzellen, die nur für ein paar Stunden halten.
»Dieses System ist eine praktische, sich selbst erhaltende Stromversorgung für Anwendungen, die von anderen mikrobiellen Brennstoffzellen in kleinem Maßstab bisher nicht geliefert werden konnten«, sagte Choi. »Es kombiniert alle modernen Techniken, die unsere Arbeitsgruppe an der Binghamton University für praxisnahe Anwendungen entwickelt hat. Dazu gehören eine mikrofluidische Festkörper-Brennstoffzellentechnik, ein synergistisches Mischkultursystem und ein gasdurchlässiges Bio-Solarsystem, die wesentlich zur Autonomie des resultierenden Bioenergiesystems beitragen.«
Der Forscher geht davon aus, dass diese neue Biosolarzelle das Potenzial für das Internet der Wegwerfprodukte (Internet of Disposable Things, IoDT) hat. Einige Experten sind der Meinung, dass diese neue Biosolarzelle mithilfe von Funksensoren aus biologisch abbaubarem Papier und Kunststoff kurzlebige Verbrauchsartikel verbinden kann. Bei weiterer Optimierung könnte sie längerfristige IoT-Sensoranwendungen im Umweltbereich antreiben.
»Wegen ihrer begrenzten Lebensdauer und ökologisch gefährlicher Komponenten sind konventionelle Batterietechnologien weniger praxisgerecht geworden«, erklärte Choi. »Batterien regelmäßig zu wechseln ist sehr kostenintensiv und für entlegenere Gebiete undurchführbar. Um einen längerfristigen Betrieb ohne Umweltbelastungen zu ermöglichen, wird die Stromgewinnung aus erneuerbaren Quellen eine Schlüsselrolle in der künftigen IoT-Technologie spielen«, so Choi weiter.
Originalpublikation
M. Mohammadifar, et al., A miniaturized, self-sustaining, and integrable bio-solar power system, Nano Energy, Vol. 72, 2020, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104668
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