Schmutzbetriebene Brennstoffzelle läuft ewig

Ein Forscherteam unter Leitung der Northwestern University hat eine neue Brennstoffzelle entwickelt, die Energie aus im Schmutz lebenden Mikroben gewinnt. Diese neue Technologie erntet Energie von Mikroben im Boden, um Sensoren und Kommunikation zu betreiben. Dies könnte eine nachhaltige, erneuerbare Alternative zu Batterien darstellen, die giftige, entflammbare Chemikalien enthalten, mit konfliktreichen Lieferketten verbunden sind und zum ständig wachsenden Problem des Elektronikmülls beitragen. Die Autoren liefern auch eine Bauanleitung mit, damit jede:r diese alternative Batterie selbst bauen kann.

Wichtigste Aussagen zusammengefasst:

• Neue Brennstoffzelle nutzt natürlich vorkommende Mikroben zur Stromerzeugung
• Bodenbetriebene Sensoren überwachen erfolgreich die Bodenfeuchtigkeit und erkennen Berührungen
• Die neue Technologie war robust genug, um trockeneren Bodenbedingungen und Überschwemmungen standzuhalten
• Brennstoffzelle könnte Batterien in Sensoren für die Präzisionslandwirtschaft ersetzen

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 funktionierte nicht nur sowohl unter nassen als auch unter trockenen Bedingungen, sondern ihre Leistung übertraf auch ähnliche Technologien um 120 %.

Der leitende Forscher Bill Yen im Labor an der Northwestern University

Die Forschungsergebnisse wurden am 12. Januar 2024 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.

„Diese Mikroben sind allgegenwärtig; sie leben bereits überall im Boden“, sagte George Wells von der Northwestern University, einer der Hauptautoren der Studie. „Wir können sehr einfache technische Systeme verwenden, um ihre Elektrizität einzufangen. Wir werden nicht ganze Städte mit dieser Energie versorgen können. Aber wir können winzige Mengen an Energie einfangen, um praktische Anwendungen mit geringem Stromverbrauch zu betreiben“.

Wells ist außerordentlicher Professor für Bau- und Umwelttechnik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University. Yen, der jetzt an der Stanford University promoviert, begann mit diesem Projekt, als er noch als Student in Wells‘ Labor forschte.

„Solange es im Boden organischen Kohlenstoff gibt, den die Mikroben abbauen können, kann die Brennstoffzelle potenziell ewig halten.”

Bill Yen

Lösungen für einen schmutzigen Job

In den letzten Jahren haben Landwirte weltweit zunehmend die Präzisionslandwirtschaft als Strategie zur Verbesserung der Ernteerträge eingesetzt. Dieser technologiegestützte Ansatz beruht auf der genauen Messung von Feuchtigkeit, Nährstoffen und Schadstoffen im Boden, um Entscheidungen zur Verbesserung der Pflanzengesundheit zu treffen. Dies erfordert ein weit verzweigtes Netz elektronischer Geräte zur kontinuierlichen Erfassung von Umweltdaten.

Erfolglose Bemühungen

Die 1911 erstmals vorgestellten bodenbasierten mikrobiellen Brennstoffzellen (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 jedoch ungestört arbeiten können, müssen sie mit Feuchtigkeit und Sauerstoff versorgt werden – was schwierig ist, wenn sie unter der Erde in trockenem Schmutz vergraben sind.

„Obwohl es das Konzept der mikrobiellen Brennstoffzellen schon seit mehr als einem Jahrhundert gibt, haben ihre unzuverlässige Leistung und ihre geringe Ausgangsleistung die Bemühungen um ihre praktische Nutzung behindert, insbesondere unter feuchtigkeitsarmen Bedingungen“, so Yen.

Siegreiche Geometrie

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.

Dieses Schema zeigt den Aufbau des Geräts

Die Anode aus Kohlenstofffilz (ein preiswerter, reichlich vorhandener Leiter, der die Elektronen der Mikroben auffängt) liegt waagerecht auf der Bodenoberfläche. Die Kathode besteht aus einem inerten, leitfähigen Metall und sitzt senkrecht auf 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.

Die so entstandene Brennstoffzelle erzeugte im Durchschnitt 68 Mal mehr Strom als für den Betrieb der Sensoren erforderlich war. Sie war auch robust genug, um großen Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit standzuhalten – von einigermaßen trocken (41 Volumenprozent Wasser) bis vollständig unter Wasser.

Die saubere Brennstoffzelle im Labor

Alle Bauteile in Baumarkt erhältlich

Die Forscher sagen, dass alle Komponenten für ihre bodenbasierte MFC in einem örtlichen Baumarkt gekauft werden können. Als Nächstes planen sie die Entwicklung einer bodenbasierten MFC, die aus vollständig biologisch abbaubaren Materialien besteht. Bei beiden Entwürfen werden komplizierte Lieferketten umgangen und die Verwendung von Konfliktmineralien vermieden.

„Mit der COVID-19-Pandemie wurde uns allen bewusst, wie eine Krise die globale Lieferkette für Elektronik unterbrechen kann“, sagte Studienmitautor Josiah Hester, ein ehemaliges Fakultätsmitglied der Northwestern University, das jetzt am Georgia Institute of Technology arbeitet. „Wir wollen Geräte bauen, die lokale Versorgungsketten und kostengünstige Materialien nutzen, damit Computer für alle Gemeinschaften zugänglich sind.“

Eine großartige Idee, wie wir finden!

Alle Fotos inklusive Titelfoto ©️Bill Yen/Northwestern University