Diese Brennstoffzelle erzeugt Strom aus Erde

Britische Forscher*innen haben eine Brennstoffzelle entwickelt, die aus Erde - oder besser gesagt Mikroben in der Erde - Strom gewinnt. Die Zelle in der Größe eines Taschenbuches kann etwa dazu eingesetzt werden, um Sensoren im Untergrund mit Energie zu versorgen. Anders als bei Batterien enthalten die Brennstoffzellen keine giftigen oder entflammbaren Chemikalien, die in den Boden auslaufen könnten. 

Die Forscher*innen nutzten ihre Erfindung, um Sensoren zur Messung von Feuchtigkeit und der Erkennung von Bewegungen zu betreiben. Erstere könnten in der Landwirtschaft etwa genau anzeigen, wann welcher Teil eines Feldes wie viel Wasser benötigt. Die Bewegungssensoren eignen sich, um vorbeiziehende Tiere erkennen zu können. Zur Kommunikation wurden die Sensoren mit winzigen Antennen ausgestattet, die ihre Daten an eine Basisstation schickten.

Mikroben geben Elektronen als Teil ihres Stoffwechsels ab

Doch wie kann so eine Zelle Strom produzieren? Die Forscher*innen verwenden dafür Mikroben, die Kohlenstoff in der Erde abbauen und dabei Energie produzieren. "Diese Mikroben sind allgegenwärtig; sie leben bereits überall im Boden", sagt George Wells, Hauptautor der Studie in einer Aussendung. "Und solange es im Boden organischen Kohlenstoff gibt, den die Mikroben abbauen können, kann die Brennstoffzelle potenziell ewig halten", fügt Studienleiter Bill Yen hinzu.

Sogenannte Biobrennstoffzellen wurden bereits vor gut 100 Jahren erfunden. Sie bestehen wie eine Batterie aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten. Doch anstatt Chemikalien zu nutzen, um Energie darin zu speichern, produzieren es die Bakterien selbst. Bauen sie organischen Kohlenstoff ab, geben sie Elektronen ab, die sie an ihre Umgebung abgeben. Wenn diese Elektronen von der Anode zur Kathode fließen, entsteht elektrischer Strom.

Damit die Mikroben arbeiten können, müssen allerdings die Bedingungen passen. Sie brauchen Feuchtigkeit und Sauerstoff, was schwierig ist, wenn sie tief in der Erde vergraben liegen. "Obwohl Biobrennstoffzellen als Konzept seit mehr als einem Jahrhundert existieren, haben ihre geringe und unzuverlässige Leistung eine praktische Nutzung verhindert", sagt Yen.

So ist die Biobrennstoffzelle aufgebaut

Die Forscher*innen testeten mehrere Prototypen und entdeckten einen, der sowohl bei trockener als auch bei nasser Umgebung gut abschneidet. Das Geheimnis dahinter: seine Geometrie. Anstatt des herkömmlichen Designs, wo Anode und Kathode parallel zueinander stehen, stehen in ihrer Brennstoffzelle Anode und Kathode senkrecht zueinander. Die Anode aus Graphitfilz, auf der die Bakterien sitzen, liegt dabei waagrecht zur Oberfläche. Die Kathode aus Metall sitzt senkrecht darauf. 

Die gesamte Zelle wird so weit vergraben, dass das obere Ende gerade noch aus dem Boden schaut (siehe Bild). Ein abgedecktes Loch an der Oberseite ermöglicht die Luftzufuhr. Das untere Ende der Kathode sitzt tief unter der Oberfläche, sodass es von der feuchten Erde umgeben ist - und feucht bleibt, auch wenn die Oberfläche austrocknet. 

Mehr Strom als benötigt

Im Schnitt produziert die Brennstoffzelle so 68 Mal mehr Strom, als für den Betrieb der Sensoren benötigt wird. Sie hält außerdem Veränderungen in der Bodenfeuchtigkeit stand: von einigermaßen trocken (41% Feuchtigkeit) bis vollkommen unter Wasser. Die Komponenten für die Biobrennstoffzelle können zudem in einem herkömmlichen Baumarkt gekauft werden. Als Nächstes planen die Forscher*innen eine Zelle, die zusätzlich aus vollständig biologisch abbaubaren Materialien besteht.