Biobrennstoffzellen als Antrieb für Miniaturmaschinen im Körper
Mit neuen Materialien Elektronenfluss erhöhen und die Leistung steigern
Alarm im Blutstrom nahe dem Herzen - Reparaturmaschinen aktivieren, um den beginnenden Aderverschluss der Koronargefäße zu entfernen. Ist dieses Szenario Science-Fiction? Der erste Schritt auf dem weiten Weg zu biobetriebenen Miniaturmaschinen, die im menschlichen Körper ihre Arbeit verrichten, wird getan. Am Zentrum für Elektrochemie forscht Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann (Analytische Chemie - Elektroanalytik und Sensorik) mit seinem Team daran, Brennstoffzellen zu miniaturisieren, die vollständig von im Blut vorhandenen Substanzen angetrieben werden. Diese Technik könnte eines Tages Motor für Miniaturmaschinen sein.
Kleine Zelle, große Herausforderung
Für die Vision einer blutbetriebenen Brennstoffzelle im menschlichen Körper müssen die Forscher eine Vielzahl von Problemen meistern. Die zentrale Herausforderung: Biobrennstoffzellen müssen sehr klein, aber trotzdem leistungsstark sein. Aufgrund der geringen Größe können die Elektroden nicht in separate Kompartimente eingeschlossen werden, da das Volumen der Wand überproportional groß im Verhältnis zum Volumen der gesamten Zelle wäre. Eine wandlose Zelle erfordert wiederum, dass Anode und Kathode im selben Medium funktionieren. Das Geheimnis für den Bau einer solchen leistungsstarken Biobrennstoffzelle steckt in der Konstruktion der Elektrodenmaterialien. Bereits mit den zurzeit verfügbaren Materialkombinationen erfüllt die Biobrennstoffzelle der Bochumer Elektrochemiker alle Anforderungen und erreicht eine Leistung von 0,1 mW cm-2 . Damit sind die Forscher nur noch eine Zehnerpotenz von der Zielmarke von 1 mW cm-2 entfernt.
Nano-Wald
Für die biobetriebenen Brennstoffzellen belegen die Forscher zunächst Graphit-Elektroden mit Biokatalysatoren (Enzymen), die für den Elektronenaustausch mit im Blut vorhandenen Substanzen sorgen. Um den Elektronenfluss zu steigern, wird eine große Anzahl von Enzymen an ein dreidimensionales Gerüst (Redoxpolymer) gebunden, das Elektronen effizient zwischen Elektrode und Enzym weiterleitet. Damit die nutzbare Fläche größer wird, experimentiert Schuhmanns Team zudem mit Kohlenstoffnanoröhren, die wie ein Wald die Elektrodenoberfläche überziehen. Das nächste Ziel der Forscher ist es, den Nano-Wald mit Redoxpolymeren zu bestücken. Erste Tests mit „Nano-Wald“-beschichteten Elektroden ohne Redoxpolymer ergaben bereits einen 400fach erhöhten Elektronenfluss im Vergleich zu den Systemen ohne Nanoröhren.
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