Bodenmikroben liefern beim Speisen Strom

Energieautark betriebene mikrobielle Brennstoffzelle im Acker (Foto: Bill Yen, northwestern.edu)

Evanston/Chicago (pte001/17.01.2024/06:00) - Mikroorganismen, die im Boden kohlenstoffhaltige Moleküle verspeisen, etwa Pflanzenreste, geben bei ihren Mahlzeiten Elektronen ab, die normalerweise nutzlos in der Erde verschwinden. Forscher der Northwestern University ( https://www.northwestern.edu ) (UNW) haben ein Gerät gebaut, mit dem sich diese Elektronen einfangen und als elektrischer Strom nutzen lassen. Damit könnten beispielsweise Bodensensoren betrieben werden, die die Bodenfeuchtigkeit messen und den Landwirt alarmieren, sobald die Ernte durch Trockenheit gefährdet ist.

Jahrzehntealtes Problem gelöst

Eigentlich handelt es sich um eine mikrobielle Brennstoffzelle, die von Mikroorganismen betrieben wird. Das Gerät ist etwa so groß und dick wie ein mittleres Taschenbuch. Es wird in den Boden eingelassen, sodass der obere Abschluss mit der Erdoberfläche eine Ebene bildet. "Obwohl mikrobielle Brennstoffzellen als Konzept schon seit mehr als einem Jahrhundert existieren, haben ihre unzuverlässige und geringe Ausgangsleistung eine praktische Nutzung bisher weitgehend verhindert, insbesondere bei geringer Feuchtigkeit", sagt Projektleiter Bill Yen, UNW-Absolvent im Bereich Umweltengineering.

Die scheibenförmige Anode aus Kohlenstofffilz befindet sich an der Unterseite des "Taschenbuchs". Dort wird es selten so trocken, dass die Mikroorganismen ihre Mahlzeiten einstellen müssen. Die Anode nimmt die Elektronen auf, die die Kleinstlebewesen emittieren, und leitet sie über einen Verbraucher, etwa einen Bodensensor, zur oben liegenden Kathode der Zelle. Über die gesamte Länge der Kathode verläuft ein Frischluftspalt, der den von den Mikroorganismen benötigten Luftsauerstoff durchlässt. Eine Schutzkappe an der Oberseite verhindert, dass Schmutz und Ablagerungen eindringen und den Sauerstoffstrom abreißen lassen.

68 Mal mehr Strom als benötigt

In Tests hat die Zelle bei unterschiedlichen Bodenfeuchtigkeitsniveaus - von vollständig unter Wasser bis beinahe trocken - im Schnitt 68 Mal mehr Strom geliefert, als für den Betrieb der angeschlossenen Sensoren und den damit verbundenen Sendern nötig gewesen wäre, die die Daten an eine nahegelegene Basisstation übermittelte. "Beim Ausbau des Internets der Dinge werden Millionen Sensoren und Sender installiert. Diese können wir nicht alle mit Batterien versorgen, die regelmäßig gewechselt werden müssen. Da bieten sich Lösungen wie unsere mikrobielle Brennstoffzelle an", so Yen.

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