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Forschung
02/04/2014

Zuckerwasser treibt Smartphones und Autos der Zukunft an

Eine Batterie, die Strom aus Zuckerwasser gewinnt und zehn Mal höhere Energiedichten als gängige Lithium-Ionen-Akkus erreicht, soll bereits in drei Jahren marktreif sein.

von Markus Keßler

Genau genommen handelt es sich bei der Batterie, die an US-Universitäten entwickelt wurde, um eine Bio-Brennstoffzelle. Darin wird in Wasser gelöstes Maltodextrin (ein Gemisch aus mehreren Zucker- beziehungsweise Stärkearten) unter Zuhilfename von Sauerstoff aus der Luft in mehreren Schritten von 13 verschiedenen, für den Zweck maßgeschneiderten Katalysator-Enzymen in Strom verwandelt, wie Nature Communications berichtet. Als Nebenprodukt entsteht lediglich Wasser.

Ist der Zucker verbraucht, kann einfach neues Zuckerwasser nachgefüllt werden. Maltodextrin kann kostengünstig aus Zellulose, etwa aus Pflanzenabfällen, gewonnen werden. Die Energiedichte erreicht bei 15-prozentiger Maltodextrin-Lösung bis zu 596 Amperestunden (Ah) pro Kilogramm und liegt damit mehr als zehn Mal höher als bei gängigen Lithium-Ionen-Akkus, die rund 42 Ah/kg erreichen. Die Maltodextrin-Brennstoffzellen schaffen 298 Wattstunden pro Kilogramm. In Zukunft wollen die Forscher auch mit höher konzentrierten Lösungen arbeiten, um die Ergebnisse weiter zu verbessern.

Freie Enzyme

"Wir erreichen die 596 Amperestunden pro Kilo beinahe, der Prototyp liegt nur fünf Prozent darunter. Unsere Zelle kann auf kleinem Raum sehr viel Energie speichern. Die Technologie kann zu einer nachhaltigen Energiequelle für tragbare Elektronikgeräte wie Smartphones und Tablets sowie Elektroautos werden", sagt Projektleiter Percival Zhang vom Biological Systems Engineering Department der Virginia Tech zur futurezone. Mit der Technologie gelingt die praktisch vollständige Oxidation der in Maltodextrin enthaltenen Glucose (Traubenzucker). Das heißt, dass 24 Elektronen pro Glukose-Molekül gewonnen werden und als Elektrizität wieder abgegeben werden können.

Um diese hohe Effizienz zu erreichen, haben die Forscher darauf verzichtet, die Enzyme in der Brennstoffelle zu fixieren. Das war bislang der Standard für die Elektrizitätsgewinnung aus Zucker. Das neue Verfahren ist deutlich effizienter. Bevor die Zuckerwasser-Batterien bereit für den Einsatz in Elektrogeräten sind, müssen die Forscher aber noch einige Probleme lösen. "Die Leistung und die Lebensdauer müssen deutlich verbessert werden und die Produktionskosten sind noch zu hoch. Auch passende Geschäftspartner haben wir noch nicht gefunden", so Zhang. Die Leistungsdichte des Prototypen beträgt derzeit nur vergleichsweisse bescheidene zehn Milliwatt pro Quadratzentimeter. "Wir denken, dass 50 Milliwatt in absehbarer Zeit möglich sind", sagt der Projektleiter.

Bessere Stromspeicher in drei Jahren

Die Spannung, die der Prototyp zur Verfügung stellt, ist mit 0,5 Volt ebenfalls gering. Dafür gibt es aber eine einfache Lösung. "Wir schalten einfach mehrere Zellen in Serie, bis die Spannung ausreicht, um etwa ein Smartphone zu betreiben", erklärt Zhang. Wenn diese Probleme gelöst werden können, wäre die Technologie eine ernstzunehmende Alternative zu Lithium-Akkus. "Bis in drei Jahren werden wir ein marktfertiges Produkt haben. Dass wir Lithium ersetzen, glaube ich weniger. Die beiden Technologien können sich aber gut ergänzen. Eine Hybrid-Batterie mit großem Zuckerwasser-Teil und einem kleinen Lithium-Akku kann das beste aus zwei Welten vereinen", so Zhang.

Die Bio-Brennstofzellen-Technologie ermöglicht sichere, nachhaltige und billige Stromspeicher, die über hohe Kapazitäten verfügen. Längerfristig wollen die Forscher auch andere organische Stoffe, etwa Alkohole oder weitere Stärken, mit maßgeschneiderten Enzymen als Energiequelle erschließen. So könnten auch Energiespeicher entwickelt werden, die den Strom direkt aus dem Blutkreislauf beziehen, was vor allem für Implantate wie Herzschrittmacher interessant wäre.

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