Enzymatische Brennstoffzelle
Zucker-Biobatterie toppt Lithium-Ionen Energiedichte
Forscher des Virginia Polytech haben für Glukose einen effizienten enzymatischen Verwertungspfad gefunden. Die Energiedichte der in enzymatischen Brennstoffzellen verstoffwechselten 15-prozentigen Maltodextrin-Lösung beträgt 596 Ah/kg, ein Vielfaches der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien.
Dass Glukose ein potenter Energiespeicher ist, offenbart der Blick auf die eigene Gürtellinie. »Dummerweise« erwies sich bei der Suche nach technischen Nutzungsmöglichkeiten desselben der komplexe, von Organismen genutzte enzymatische Abbaupfad als sehr aussichtsreich. Dumm deshalb, weil der Nachbau des enzymatischen Abbaupfades unter der Maßgabe maximaler Energieausbeute derzeit noch sehr komplex und teuer ist.
Mit zunehmender Verfügbarkeit industriell hergestellter preiswerter Enzyme wird die Nachahmung der Glukoseverwertung in einer »biologischen« Brennstoffzelle immer attraktiver. Vereinfacht ausgedrückt ahmt eine Bio-Brennstoffzelle den Abbau des Energiespeichers Glukose analog zu den Vorgängen in organischen Stoffwechseln in den Energiespeicher Adenosintriphosphat (ATP) nach, der auch von menschlichen Muskelzellen verwerten wird.
Laut Abstract ihres Forschungsberichtes ist es Forschern vom Virginia Polytech Institute um Y.H. Percival Zhang gelungen, mittels Einsatz von 13 Enzymen pro Einheit Maltodextrin in einer belüfteten enzymatischen Brennstoffzelle je 24 Elektronen freizusetzen. Durch diese Enzyme sei eine Ausgangsleistung von 0.8 mW/cm−2 und eine maximale Stromdichte von 6 mA/ cm−2 erreicht worden. Grund für diese Spitzenleistung sei, dass die Enzyme in der Bio-Batterie nicht-immobilisiert vorlägen, während in den bisherigen Versuchsaufbauten zumeist immobilisierte Enzyme zum Einsatz kommen.
Zuckerbetriebene Biobatterien könnten als »grüne Energiequellen der nächsten Generation besonders in tragbarer Elektronik« zum Einsatz kommen, so die Forscher. Was von diesem Optimismus zu halten ist, kann realistisch derzeit noch nicht beurteilt werden. Dass die 13 Enzyme nicht immobilisiert zum Einsatz kommen, wirft die Frage auf, wie die Reaktion noch beschleunigt werden kann. Y.H. Percival Zhang vom Virginia Polytech Institute sagte: »Wir setzen alle in der Zuckerlösung enthaltenen Elektronenladungen langsam Schritt für Schritt mittels einer Enzymkaskade frei.« Er hofft schon soweit zu sein, dass das Verfahren innerhalb von drei Jahren kommerziell einsetzbar ist.
Abzüglich des forschereigenen Zweckoptimismus weist das Verfahren immerhin einige grundsätzliche Vorteile gegenüber den derzeit favorisierten Alkalimetall-Batterien auf: Zucker ist nicht brennbar, nicht toxisch, hat eine sehr hohe Energiedichte, die Enzyme sind als Bio-Katalysatoren gegenüber dem normalerweise genutzten Platin sehr preisgünstig und biologisch abbaubar. Ähnlich einer Druckerkartusche kann zudem die Batterie mit Zuckerlösung einfach nachgefüllt werden.
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