Empa entwickelt biologisch abbaubare Energiequelle

Forscher der Schweizer Materialprüfungs- und Forschungsanstalt  Empa haben eine biologische Batterie entwickelt, die auf Pilzen basiert und sich nach ihrem Einsatz selbst abbaut. Diese sogenannte mikrobielle Brennstoffzelle liefert ausreichend Strom, um Sensoren in der Landwirtschaft oder der Umweltforschung für einige Tage zu betreiben. Ihre Besonderheit: Die Batterie ist vollständig biologisch abbaubar und ungiftig, eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Energiespeichern.
Im Rahmen eines dreijährigen Projekts, das von der Gebert Rüf Stiftung im Rahmen des Förderprogramms ­«Microbials» unterstützt wurde, entwickelte das Team um Gustav Nyström und Carolina Reyes die Pilzbatterie im Labor für «Cellulose and Wood Mate­rials» der Empa. Carolina Reyes erläutert: „Wir haben erstmals zwei Pilzarten zu einer funktionierenden Brennstoffzelle kombiniert.“ Ein Hefepilz auf der Anodenseite setzt Elektronen frei, während ein Weißfäulepilz, die sogenannte Samtige Tramete, auf der Kathodenseite mit einem speziellen ­Enzym diese Elektronen einfängt und aus der Zelle leitet.

Mikrobielle Brennstoffzellen nutzen den Stoffwechsel von Mikroorganismen zur Energiegewinnung. Während Bakterien bislang die gängigste Wahl ­waren, setzen die Empa-Forschenden ­gezielt auf Pilze. Die beiden Pilzarten ­arbeiten symbiotisch, um eine stabile Energiequelle zu bilden. Dabei sind die Pilze von Anfang an ein integraler Bestandteil der Batterie und werden nicht erst nachträglich hinzugefügt.
Die Komponenten der Pilzbatterie werden mit einem 3D-Drucker her­gestellt. Die Elektroden bestehen aus einer Tinte auf Cellulose-Basis, die elektrisch leitfähig, biologisch abbaubar und für die Pilze als Nährstoffquelle nutzbar ist. „Die größte Herausforderung bestand darin, eine Tinte zu entwickeln, die die Pilze nicht nur wachsen lässt, sondern sich auch gut drucken lässt, ohne die Zellen zu schädigen“, erklärt Nyström, Leiter des „Cellulose and Wood Materials“ Labors. Die Tinte enthält zusätzlich Nährstoffe, die den Pilzen während des Betriebs als Energiequelle dienen. „Man kann die Batterien in einem getrockneten Zustand transportieren und vor Ort einfach durch die Zugabe von Wasser und Zuckern aktivieren“, ergänzt Reyes.

Die Pilzbatterie kann in der Landwirtschaft und Umweltforschung verwendet werden, wo oft Sensoren für kurze Zeit benötigt werden. Anders als herkömmliche Batterien hinterlässt sie keinen giftigen Abfall, sondern löst sich nach ihrer Nutzung von selbst auf. Ein weiterer Vorteil: Die Herstellung ist ressourcenschonend, da die verwendeten Materialien erneuerbar und biologisch abbaubar sind.
Das Projekt war eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Mikrobiologie, Materialwissenschaft und Elektrotechnik. Um die Pilzbatterien zu charakterisieren, musste sich die gelernte Mikrobiologin Reyes nicht nur Techniken aus der Elektrochemie ­aneignen, sondern sie auch für die ­3D-Drucktinte anpassen. „Gerade im Bereich der Materialwissenschaft sind ­Pilze noch zu wenig erforscht und genutzt“, betont Reyes. Gemeinsam mit Nyström ist sie überzeugt, dass Pilze ein großes Potenzial für nachhaltige Technologien bieten.

Die Forschenden planen, die Leistung und Lebensdauer der Batterie zu verbessern und weitere Pilzarten zu identifizieren, die für die Stromgewinnung geeignet sind. „Pilze bieten eine riesige Vielfalt an Enzymen und Stoffwechselwegen, die für innovative Anwendungen genutzt werden können“, erklärt Nyström. Mit der Pilzbatterie könnte die Empa den Weg für umweltfreundliche Alternativen zu herkömmlichen Energiespeichern ebnen.

Quelle: Empa