Sie fanden es vor über drei Jahrzehnten an den schlammigen Ufern des Potomac: einem seltsamen „Sedimentorganismus“, der etwas tun konnte, was niemand jemals von Bakterien erwartet hatte.
Diese ungewöhnliche Mikrobe, die zur Gattung Geobacter gehört, war für ihre Fähigkeit bekannt, Magnetit in Abwesenheit von Sauerstoff zu produzieren. Im Laufe der Zeit entdeckten Wissenschaftler jedoch, dass sie andere Dinge erzeugen kann, beispielsweise bakterielle Nanodrähte, die Elektrizität leiten.
Forscher haben jahrelang versucht, Wege zu finden, um dieses natürliche Geschenk gut zu nutzen, und dieses Jahr haben sie ein Gerät vorgestellt, das sie Air-gen nennen. Laut dem Team kann ihr Gerät Strom erzeugen aus … na ja, fast nichts.
“Wir machen Strom buchstäblich aus dünner Luft”, sagte der Elektrotechniker Jun Yao von der University of Massachusetts Amherst im Februar. Air-Gen erzeugt 24 Stunden am Tag saubere Energie.
Die Behauptung mag übertrieben klingen, aber eine aktuelle Studie von Yao und seinem Team beschreibt, wie ein luftbetriebener Generator nur dann tatsächlich Strom erzeugen kann, wenn Luft um ihn herum ist. Dies alles ist den elektrisch leitenden Protein-Nanodrähten von Geobacter (in diesem Fall G. serreducens) zu verdanken.
Air-Gen besteht aus einem dünnen Film aus Protein-Nanodrähten mit einer Dicke von nur 7 Mikrometern, der zwischen zwei Elektroden angeordnet ist.
Der Nanodrahtfilm ist in der Lage, in der Atmosphäre vorhandenen Wasserdampf zu adsorbieren, wodurch die Vorrichtung einen kontinuierlichen elektrischen Strom erzeugen kann, der zwischen zwei Elektroden geleitet wird.
Die Wissenschaftler geben an, dass die Ladung durch einen Feuchtigkeitsgradienten erzeugt wird, der Protonen im Nanodrahtmaterial diffundiert.
“Es wird erwartet, dass diese Ladungsdiffusion ein ausgleichendes elektrisches Feld oder Potential ähnlich dem Ruhemembranpotential in biologischen Systemen verursacht”, erklären die Autoren in ihrer Studie.
“Ein anhaltender Feuchtigkeitsgradient, der sich grundlegend von allen früheren Systemen unterscheidet, erklärt die kontinuierliche Ausgangsspannung unseres Nanodrahtgeräts.”
Die Entdeckung wurde fast zufällig gemacht, als Yao bemerkte, dass die Geräte, mit denen er experimentierte, Elektrizität selbst zu leiten schienen.
“Ich habe gesehen, dass die Nanodrähte, wenn sie auf bestimmte Weise mit den Elektroden in Kontakt kamen, einen Strom erzeugten”, sagte Yao.
“Ich habe festgestellt, dass die Einwirkung von Luftfeuchtigkeit wichtig ist und dass Protein-Nanodrähte Wasser absorbieren, wodurch ein Spannungsgradient entsteht.”
Frühere Studien haben gezeigt, dass die Erzeugung von Wasserkraft mit anderen Arten von Nanomaterialien wie Graphen erzeugt wird. Diese Versuche haben jedoch meist nur kurze Elektrizitätsimpulse erzeugt, die nur wenige Sekunden dauern.
Im Gegensatz dazu erzeugt das Air-Gen ungefähr 0,5 V DC mit einem Strom von ungefähr 17 Mikroampere pro Quadratzentimeter.
Es ist nicht viel Strom, aber das Team sagte, dass das Anschließen mehrerer Geräte genug Strom erzeugen könnte, um kleine Geräte wie Smartphones und andere persönliche Elektronik aufzuladen – alles ohne Verschwendung und Verwendung von nur Umgebungsfeuchtigkeit (selbst bei solch trockener Luft) Regionen wie die Sahara).
“Das ultimative Ziel ist der Bau von Großsystemen”, sagte Yao und erklärte, dass diese Technologie dringend benötigt werden könnte, um Häuser mit in Wandfarbe eingebetteten Nanodrähten zu versorgen.
“Sobald wir zur industriellen Drahtproduktion übergehen, gehe ich davon aus, dass wir große Systeme schaffen können, die einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung leisten.”
Eine verwandte Studie des Kollegen Mikrobiologe Derek Lowley, der die Geobacter-Mikroben bereits in den 1980er Jahren zum ersten Mal identifizierte, könnte dabei helfen: Gentechnisch andere Mikroben wie E. coli zu manipulieren, um denselben Trick in großem Maßstab durchzuführen.
“Wir haben E. coli in eine Protein-Nanodraht-Fabrik verwandelt”, sagte Lovli.
Die Ergebnisse sind in Nature angegeben.
Quellen: Foto: (UMass Amherst / Yao und Lovley Labs / Ella Maru Studio)
