Neue Biobatterien nutzen bakterielle Interaktionen zur wochenlangen Stromerzeugung

"Plug-and-Play"-Funktionen ermöglichen die Verkabelung von Batterien für mehr Leistung

30.06.2022 - USA

Forscher der Binghamton University und der State University of New York, haben eine "Plug-and-Play"-Biobatterie entwickelt, die wochenlang hält und zur Verbesserung der Ausgangsspannung und des Stroms gestapelt werden kann.

Da unsere technischen Anforderungen wachsen und das Internet der Dinge unsere Geräte und Sensoren immer stärker miteinander verbindet, ist die Frage, wie man an abgelegenen Orten Strom erzeugen kann, zu einem immer wichtigeren Forschungsgebiet geworden.

Professor Seokheun "Sean" Choi - Fakultätsmitglied in der Abteilung für Elektro- und Computertechnik am Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science der Universität Binghamton - arbeitet seit Jahren an Biobatterien, die durch die Interaktion von Bakterien Strom erzeugen.

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Dabei stieß er auf ein Problem: Die Lebensdauer der Batterien war auf wenige Stunden begrenzt. Das könnte in einigen Szenarien nützlich sein, aber nicht für eine langfristige Überwachung an abgelegenen Orten.

In einer neuen Studie, die im Journal of Power Sources veröffentlicht und vom Office of Naval Research mit 510.000 Dollar gefördert wurde, haben Choi und seine Mitarbeiter eine "Plug-and-Play"-Biobatterie entwickelt, die wochenlang hält und gestapelt werden kann, um die Ausgangsspannung und den Strom zu erhöhen. Die Koautoren der Forschungsarbeit stammen aus Chois Labor für Bioelektronik und Mikrosysteme: der derzeitige Doktorand Anwar Elhadad und Lin Liu, PhD '20 (jetzt Assistenzprofessor an der Seattle Pacific University).

Chois frühere Batterien bestanden aus zwei Bakterien, die zusammenwirkten, um die benötigte Energie zu erzeugen, aber diese neue Version verwendet drei Bakterien in separaten vertikalen Kammern: "Ein photosynthetisches Bakterium erzeugt organische Nahrung, die als Nährstoff für die anderen darunter liegenden Bakterienzellen verwendet wird. Unten befindet sich das stromproduzierende Bakterium, und das mittlere Bakterium erzeugt einige Chemikalien, um den Elektronentransfer zu verbessern."

Die anspruchsvollste Anwendung für das Internet der Dinge, glaubt Choi, werden drahtlose Sensornetzwerke sein, die unbeaufsichtigt in abgelegenen und rauen Umgebungen eingesetzt werden. Diese Sensoren werden weit von einem Stromnetz entfernt und schwer zu erreichen sein, um herkömmliche Batterien zu ersetzen, wenn sie einmal leer sind. Da diese Netze es ermöglichen werden, jeden Winkel der Welt zu vernetzen, ist die Energieautonomie die wichtigste Voraussetzung.

"Im Moment sind wir bei 5G, und ich glaube, in den nächsten 10 Jahren wird es 6G sein", sagte er. "Mit der künstlichen Intelligenz werden wir eine enorme Anzahl von intelligenten, eigenständigen, ständig eingeschalteten Geräten auf extrem kleinen Plattformen haben. Wie kann man diese miniaturisierten Geräte mit Strom versorgen? Die größte Herausforderung werden die Geräte sein, die in unbeaufsichtigten Umgebungen eingesetzt werden. Wir können dort nicht hingehen, um die Batterien zu ersetzen, also brauchen wir miniaturisierte Energiesammler.

Choi vergleicht diese neuen Biobatterien - die 3 mal 3 Zentimeter im Quadrat messen - mit Legosteinen, die je nach der von einem Sensor oder Gerät benötigten elektrischen Leistung auf verschiedene Weise kombiniert und neu konfiguriert werden können.

Zu den Verbesserungen, die er durch weitere Forschung zu erreichen hofft, gehört die Entwicklung eines Pakets, das auf dem Wasser schwimmen und sich selbst heilen kann, um Schäden, die in rauen Umgebungen entstanden sind, automatisch zu reparieren.

"Mein ultimatives Ziel ist es, es wirklich klein zu machen", sagte er. "Wir nennen das 'intelligenten Staub', und ein paar Bakterienzellen können genug Energie erzeugen, um ihn zu betreiben. Dann können wir ihn überall dort ausstreuen, wo wir ihn brauchen."

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