Mikrobengestützte Energieversorgung erzeugt Strom für Unterwassersensoren

Ein Forschungsteam der Michigan Technological University (Michigan Tech) hat im Rahmen des Programms „Biological Undersea Energy“ (BLUE) der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des US-Verteidigungsministeriums ein mikrobengestütztes Energieversorgungssystem zur Stromversorgung von Meeressensoren entwickelt. Das teilte die Michigan Tech am Montag mit. Das System wandelt gelöste organische Stoffe und Biomasse aus dem Meer in elektrischen Strom um. Durch die Zufuhr neuer Biomasse lädt sich die Batterie quasi selbst auf.

Unterwassersensoren werden für die zivile Meeresforschung, aber auch für militärische Zwecke zur Aufklärung benötigt. Da es sich meist um langfristige Missionen handelt, suchen Wissenschaftler nach Wegen, um die Stromversorgung der Sensorik möglichst lange aufrechtzuerhalten, ohne sie austauschen zu müssen. Denn der Austausch der Batterien ist aufwendig und entsprechend kostenintensiv.

Strom aus Biomasse aus dem Meer

Forscher der Michigan Tech haben deshalb ein System einer mikrobiellen Brennstoffzelle entwickelt, die sich selbst kontinuierlich aus der Biomasse des Meeres speist. Die dabei genutzten Mikroben lösen Stoffwechselprozesse aus, die Elektronen von einer Anode zu einer Kathode transportieren und so Strom erzeugen, der zur Versorgung von Umwelt- und Aufklärungssensoren genutzt werden kann.

Doch die Wissenschaftler stießen bei ihrer Arbeit auf ein Problem: In Ozeanen, in denen herkömmlicherweise diese Arten der Sensorik eingesetzt werden, reichen die vorhandenen benötigten organischen Stoffe nicht aus. Stattdessen herrscht dort eine hohe Sauerstoffkonzentration – keine optimalen Bedingungen, um eine mikrobielle Brennstoffzelle betreiben zu können. Hinzu kommt, dass es eine Obergrenze für die Energiemenge gibt, die aus einer mikrobiellen Brennstoffzelle gewonnen werden kann. Denn die Mikroben benötigen einen Großteil ihrer Energie selbst, um wachsen zu können. Lediglich der Rest, der übrig bleibt, könne zur Stromerzeugung genutzt werden. Entsprechend sei es eine Herausforderung, ein solches System mit Meerwasser effektiv betreiben zu wollen, sagen die Wissenschaftler.

Aktivkohle als Booster

Die Forscher der Michigan Tech setzen deshalb in ihrer mikrobiellen Brennstoffzelle auf granulierte Aktivkohle. Damit schlagen die Wissenschaftler gleich zwei Fliegen mit einer Klappe: Zum einen reichern sie damit das durch das System fließende organische Material aus dem Meereswasser passiv an. Zum anderen schaffen sie ideale Lebensbedingungen für die Mikroben. Dabei werden der Durchfluss des Meerwassers und der Austausch so gesteuert, dass die Mikroben genügend Zeit haben, um organische Substanzen abzubauen und Energie zu erzeugen.

„Diese Mikroben siedeln sich bevorzugt in Biofilmen an. Wenn sie auf der Aktivkohle einen Biofilm bilden – selbst wenn die Brennstoffzelle mit Sauerstoff versorgt wird –, finden die Mikroben dort sauerstofffreie Bedingungen vor. Unter diesen können sie jene Stoffwechselprozesse durchführen, die mit der Energiegewinnung in Zusammenhang stehen“, erklärte Amy Marcarelli, Professorin für Biowissenschaften und leitende Wissenschaftlerin des Projekts.

Das Design haben die Wissenschaftler immer wieder optimiert, um eine möglichst kontinuierliche Stromerzeugung zu erzielen. Da das mikrobielle Brennstoffzellensystem weitgehend aus Standardkomponenten aufgebaut ist, mussten weitere Anstrengungen unternommen werden, um sie etwa vor dem Wasserdruck, Korrosion und anderen Umwelteinflüssen zu schützen.

Erprobung in Feldversuchen

Das Forschungsteam hat vier mehr als 225 kg schwere Prototypen der mikrobiellen Brennstoffzelle bereits in einem Feldversuch in der Galveston Bay vor der texanischen Küste in der Nähe von Houston in rund 9 m Wassertiefe getestet. Dabei erzeugten drei der vier Systeme Strom. Der Test wird nun ausgeweitet. Dann sollen zehn der mikrobiellen Brennstoffzellen in Chesapeake Bay vor der Küste Virginias bei Norfolk erprobt werden. Ziel dabei ist es, die Leistung der Systeme im ganzjährigen Langzeiteinsatz zu erforschen. Außerdem soll festgestellt werden, in welchen Seegebieten die mikrobielle Brennstoffzelle zur Unterwasserstromerzeugung effizient eingesetzt wird und wie sie verkleinert und leichter gemacht werden kann.

(olb)