Robert Klatt
Eine mikrobielle Brennstoffzelle aus zwei Pilzarten kann kleine Geräte mit Strom versorgen. Nach ihrem Einsatz kann die lebende Batterie biologisch zersetzt werden und es entsteht kein Elektroschrott.
Dübendorf (Schweiz). In den kommenden Jahren nimmt die Menge an Elektroschrott stetig zu. Neben größeren elektrischen Geräten, etwa alten Servern aus Rechenzentren für Künstliche Intelligenz (KI), gehören dazu auch Akkus und Batterien. Diese werden oft nicht recycelt, obwohl sie Rohstoffe, aber auch Schadstoffe wie Cadmium, Blei und Quecksilber, enthalten. Die Wissenschaft arbeitet deshalb an umweltverträglicher Elektronik, beispielsweise mikrobielle Brennstoffzellen, die herkömmliche Batterien ersetzen sollen.
Bakterien und andere Mikroorganismen wandeln Nährstoffe in Energie um. In mikrobiellen Brennstoffzellen wird ein Teil der im Stoffwechsel frei werdenden Elektronen als Strom abgegriffen. Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben nun einen komplett neuen Typen einer lebenden Batterie entwickelt.
„Wir haben erstmals zwei Pilzarten zu einer funktionierenden Brennstoffzelle kombiniert.“
Laut der Publikation im Fachmagazin ACS Sustainable Chemistry & Engineering nutzt die lebende Brennstoffzelle den Stoffwechsel der beiden Pilzarten. Auf der Anodenseite befindet sich Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae), die Elektronen freisetzt und auf der Kathodenseite der Weißfäulepilz Samtige Tramete (Trametes pubescens). Dieser Weißfäulepilz stellt ein spezielles Enzym her, das die Elektronen der Bäckerhefe aus der Brennstoffzelle leiten kann und dadurch Strom generiert.
Die Brennstoffzelle wird mit einem 3D-Drucker produziert, dessen Drucktinte sowohl die Pilze als auch deren Nahrung enthält. Dadurch können die Pilzzellen leicht an Nährstoffe kommen. Laut den Forscher war die Entwicklung der Tinte das komplexeste Problem des Projekts.
„Es ist anspruchsvoll genug, ein Material zu finden, in dem die Pilze gut wachsen. Die Tinte muss sich dann aber auch gut extrudieren lassen, ohne dass die Pilzzellen dabei sterben – und natürlich sollte sie noch elektrisch leitfähig und biologisch abbaubar sein.“
Die Tinte besteht aus einem zellulosebasierten Material, das die Pilze als Nährstoffquelle nutzen. Außerdem kann das Material nach dem Einsatz biologisch abgebaut werden. Um die Tinte leitfähig zu machen, wurden Kohlenstoffschwarz und Flockengraphite beigemischt.
In Experimenten konnten die lebende Batterie eine Leistungsdichte von 12,5 Mikrowatt pro Quadratzentimeter und eine Stromdichte von 49,2 Mikroampere pro Quadratzentimeter erreichen. Sie kann damit kleine Sensoren mit ausreichend Energie versorgen. Eine Kombination aus vier lebenden Batterien reicht aus, um einen einfachen Temperatursensor für 65 Stunden zu betreiben.
In Zukunft könnte die lebende Batterie in der Landwirtschaft und der Umweltforschung verwendet werden, etwa um Sensoren in abgelegenen Regionen mit Strom zu versorgen. Derzeit arbeiten die Forscher daran, die Pilzbatterie noch langlebiger und leistungsfähiger zu machen. Dazu untersuchen sie, ob andere Pilzarten als Stromlieferanten dienen können.
„Gerade im Bereich der Materialwissenschaft sind Pilze noch zu wenig erforscht und genutzt.“
ACS Sustainable Chemistry & Engineering, doi: 10.1021/acssuschemeng.4c05494
