Forscher der University of Bath testen ihre mikrobiellen Boden-Brennstoffzellen.
Jakub Dziegielowski, Dr. Jannis Wenk und Dr. Mirella Di Lorenzo von der University of Bath testen mikrobielle Brennstoffzellen im Boden in Brasilien.Foto:  University of Bath

Energiegewinnung aus Erde: Mikrobielle Brennstoffzellen verwandeln Regen- in Trinkwasser

Von 4. November 2020 Aktualisiert: 4. November 2020 19:11
Britische Ingenieure haben Brennstoffzellen entwickelt, die mit Mikroorganismen aus der Erde Strom erzeugen. Ein Prototyp hat sich bereits im Feldversuch bewährt und kann eine Batterie laden – oder einen elektrochemischen Reaktor zur Wasseraufbereitung versorgen.

Brennstoffzellen können chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Dass sie dafür reinen Wasserstoff benötigen, ist jedoch ein Irrglaube. Forschern um Dr. Mirella Di Lorenzo von der University of Bath in Großbritannien gelang nun die Energiegewinnung aus Erde.

Genauer gesagt greift ihre Erfindung auf Mikroorganismen im Boden zurück, die Elektronen freisetzten können. Die gewonnene Energie reicht aus, um beispielsweise den Trinkwasserbedarf einer Person in semi-ariden Regionen Brasiliens aufzubereiten. Lorenzo und ihre Kollegen veröffentlichten ihre Forschungen nach erfolgreichen Feldversuchen Ende Oktober in der Fachzeitschrift „Applied Energy“.

Energie aus der Erde verwandelt Regen- in Trinkwasser

Soil Microbial Fuel Cells (SMCFs) oder mikrobielle Boden-Brennstoffzellen erzeugen Energie aus der Stoffwechselaktivität spezifischer Mikroorganismen, die in der Lage sind, Elektronen über ihre Zellen hinaus zu übertragen. Diese sogenannten Elektrigene kommen natürlich im Boden vor und erzeugen Elektronen, während sie organische Materie verbrauchen („sie fressen“).

Dieses Phänomen machten sich die Forscher um Projektleiterin Di Lorenzo zu Nutze und bestätigten sowohl im Labor als auch im Feldversuch in Brasilien, dass diese Energie abgegriffen und gespeichert werden kann.

Die britischen Chemie- und Elektroingenieure entwickelten dafür ein System mit zwei Elektroden auf Kohlenstoffbasis. Sie werden in einem festen Abstand von vier Zentimetern verbunden, die Anode zur Hälfte im Boden vergraben, während die Kathode von Luft umströmt wird. Ein externer Schaltkreis stellt die elektrische Verbindung her.

Bevölkern nun Elektrigene die Oberfläche der Anode und fressen organisches Material, übertragen sie Elektronen an die Anode und erzeugen einen nutzbaren elektrischen Strom. Ein Stapel mehrerer SMFCs könnte so eine Batterie laden – oder einen elektrochemischen Reaktor zur Wasseraufbereitung versorgen.

Einen derartigen Prototypen realisierten die Forscher an einer Schule in Icapuí im Nordosten Brasiliens. Mit ihm können täglich bis zu drei Liter Wasser aufbereitet werden. Genug um den Trinkwasserbedarf einer Person zu decken.

Bodenbrennstoffzellen „haben Potenzial als nachhaltige Energiequelle“

Das nächste Ziel ist, Design und Effizienz so zu verfeinern, dass ein einziges Gerät das Trinkwasser einer ganzen Familie reinigen kann. Das beinhaltet die Erzeugung von genügend Energie, das effektive Sammeln und Speichern dieser Energie sowie die effiziente Behandlung des Wassers, um Qualität und Trinkbarkeit zu gewährleisten, so die Forscher.

Di Lorenzo sagte: „Der Einsatz der mikrobiellen Bodenbrennstoffzellentechnologie zur Behandlung des täglichen Wasserbedarfs einer Familie ist bereits unter Laborbedingungen möglich. Aber im Freien und mit einem System, das nur minimale Wartung erfordert, ist [das] viel schwieriger.“

Wenn ihr Projekt jedoch etwas gezeigt hat, dann dass es möglich ist, die durch natürliche Reaktionen von Mikroorganismen im Boden erzeugte Energie einzufangen und zu nutzen. Damit, so Di Lorenzo weiter, haben mikrobielle Brennstoffzellen „ein echtes Potenzial als nachhaltige Niedrigenergiequelle“.

(Mit Material der University of Bath)

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