Strom aus feuchter Luft

Geflecht aus bakteriellen Nanofäden erzeugt über Monate kleine Strommengen bei einem halben Volt Spannung
Illustration eines Minikraftwerks, das mit Protein-Nanofäden elektrischen Strom allein aus der Luftfeuchtigkeit erzeugt.
Illustration eines Minikraftwerks, das mit Protein-Nanofäden elektrischen Strom allein aus der Luftfeuchtigkeit erzeugt.
© Ella Maru Studio
Amherst (USA) - Nicht nur die Energie in Licht, Wärme oder Bewegungen lässt sich in elektrischen Strom umwandeln. Auch die Luftfeuchtigkeit bietet eine Möglichkeit, kleine Kraftwerke anzutreiben. Dieses Kunststück gelang nun amerikanischen Forschern mit winzigen Nanofäden aus Proteinmolekülen, die sie zwischen zwei Elektroden anordneten. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, konnten 17 dieser in Reihe geschalteten Minikraftwerke Strom mit bis zu zehn Volt Spannung erzeugen.

Jun Yao und seine Kollegen von der University of Massachusetts in Amherst nutzten für ihren Prototypen Bakterien der Art Geobacter sulfurreducens. Diese Mikroben produzierten winzige Protein-Nanofäden mit wenigen Nanometern Durchmesser und von einigen Mikrometern Länge. Auf einer Elektrode aus Gold deponierten die Forscher ein engmaschiges Netzwerk aus diesen elektrisch leitfähigen Nanofäden. Auf diesem Netzwerk setzten sie eine zweite hauchdünne Goldelektrode.

An der Luft nahm das nur wenige Mikrometer dünne Nanofaden-Geflecht effizient Feuchtigkeit auf. Bei der Aufnahme von Wassermolekülen, die teilweise ionisiert vorlagen, wurden Elektronen an eine der Goldelektroden abgegeben. Die Folge: Es floss ein kleiner elektrischer Strom mit etwa einem halben Volt Spannung bei einer Stromstärke von gut einhundert Nanoampere. Die aufgenommene Feuchtigkeit konnten die Nanofäden auch wieder abgeben, so dass der stromerzeugende Prozess ohne Unterbrechnung ablief. In einem Langzeitversuch produzierte ein Minikraftwerk sogar elektrischen Strom über einen verblüffend langen Zeitraum von zwei Monaten.

Vergleichende Messungen zeigten den Forschern, dass diese Stromerzeugung am besten bei etwa 50 Prozent relativer Luftfeuchte funktionierte. Doch auch bei geringer Luftfeuchte von etwa 25 Prozent – ein typischer Wert für trockene Wüstenregionen – konnte immer noch ein Stromfluss nachgewiesen werden.

Groß sind die über die Luftfeuchtigkeit erzeugten Strommengen allerdings nicht. Doch reichen sie prinzipiell für den Betrieb von Sensoren aus. Jun Yao und Kollegen luden mit ihrem Minikraftwerk auch einen Kondensator auf, mit dem sich eine Leuchtdiode betrieben ließ. Nun arbeiten die Forscher an einer effizienten Verknüpfung von sehr vielen ihrer Minikraftwerken. Damit könnte ganz ohne Sonne, Wärme oder Bewegung rund um die Uhr genug Elektrizität für elektronische Module in so genannten Wearables – intelligenter Kleidung – erzeugt werden. Parallel wollen die Forscher auch andere Bakterienarten wie etwa E.coli für die Massenfertigung von Protein-Nanofäden nutzen. „Das ist erst der Anfang einer neuen Ära von elektronischen Geräten auf der Basis von Protein-Nanofäden“, sagt Yao.

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