Strom aus der Luft

Der fortschreitende Klimawandel hat Wissenschaftler auf der ganzen Welt dazu veranlasst, nach neuen Formen erneuerbarer Energiequellen zur Stromerzeugung zu suchen. Durch die Kombination von Mikrobiologie und Elektrotechnik ist es Wissenschaftler der Universität Massachusetts (UMass Amherst) in den Vereinigten Staaten in einem Forschungsprojekt gelungen, aus in der Luft vorhandener Feuchtigkeit Strom zu gewinnen.

Der Vorteil: Luft enthält bei jedem Wetter, ob Tag oder Nacht, immer etwas Feuchtigkeit. Das könnte die sogenannten „Air-Gen“-Geräte zu einer perfekten Ergänzung von Wind- und Sonnenenergie machen.

Konstante Stromerzeugung

Bis vor kurzem konnten diese Geräte nur in kleinen Mengen Strom erzeugen und die Ladezeit war deutlich länger als die Dauer der Stromabgabe – sie verbrauchten also mehr Strom als sie produzierten. In einer in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Arbeit „Power Generation from ambient humidity using protein nanowires“ berichten die Wissenschaftler der UMass Amherst jedoch von bedeutenden Fortschritten.

Die Forscher haben ein sogenanntes Dünnschichtgerät entwickelt, das mindestens 20 Stunden lang Strom erzeugen kann, bevor es wieder fünf Stunden lang aufgeladen werden muss. Im Vergleich zu ähnlichen Geräten verfügt  die neu entwickelte Technik vor allem über eine stark verbesserte Leistungsdichte. So erzeugte das Gerät über einen Zeitraum von mehr als zwei Monaten eine stabile Spannung von 0.4-0.6 Volt.

Wie funktioniert es?

Das Gerät besteht aus einem sehr dünnen Film von Protein-Nanodrähten, die auf einer auf Glas gemusterten Goldelektrode aufgebracht sind. Eine zweite, kleinere Goldelektrode wird auf den Nanodrahtfilm gelegt und bedeckt ihn dabei teilweise.

Die Protein-Nanodrähte sind den Forschern zufolge ein wissenschaftliches Wunder. Das Protein wird von einem Mikroorganismus namens Geobacter sulfurreducens geerntet. Wenn diese Proteine gereinigt und in den Film gelegt werden, bilden Sie ein Netz, das Elektrizität zwischen den beiden Elektroden leitet. Diese sind uneinheitlich und haben winzige Löcher – sogenannte Nanoporen -, durch die Wassermoleküle hindurch passieren können.

Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass der durch das Gerät entstehende Strom dabei durch den Aufbau eines Feuchtigkeitsgradienten erzeugt wird. Das bedeutet, dass sich im oberen Teil der Folie, welcher teilweise der Atmosphäre ausgesetzt ist, mehr Wassermoleküle befanden als im unteren Teil, der mit Glas versiegelt ist. Da das Gerät Feuchtigkeit absorbiert, baut sich dieser Gradient auf und wird auch unter Wüstenbedingungen, in denen die Luftfeuchtigkeit weniger als 20 Prozent beträgt, aufrechterhalten. Die besten Ergebnisse konnten jedoch bei einer Luftfeuchtigkeit von 40-50 Prozent festgestellt werden.

Der große Unterscheidungsfaktor, so die Wissenschaftler, sei dabei der beibehaltene Feuchtigkeitsgradient. Eben jener ermöglicht eine konstante Stromerzeugung und unterscheidet das Gerät grundlegend von allen seinen Vorgängern. Der Gradient lässt Elektronen durch die Nanoporen fließen und erzeugt dabei einen Strom. Die in der Luft befindenden Wassermoleküle enthalten von Natur aus Ionen – Moleküle, die durch die Aufnahme oder den Verlust eines Elektrons entweder eine Ladung erhalten haben oder ionisiert werden, wenn sie auf der Oberfläche der dünnen Filmschicht absorbiert werden. Für die Nanodrähte sind diese Ionen ein praktisch unendliches Reservoir, die aufgrund der durch den Feuchtigkeitsgradienten erzeugten Spannung einen Strom erzeugen.

Der gesamte Prozess findet in einem sehr kleinen Maßstab statt – im sogenannten Nanomaßstab. Ein Nanometer (nm) ist ein Milliardstel eines Meters, ein Nanopartikel ist ein Partikel von weniger als 100 nm in mindestens einer Dimension.

Kann die Technologie weiter ausgebaut werden?

Die Wissenschaftler der UMass Amherst glauben an die Möglichkeit eines Ausbaus der Technologie. Ein paralleler oder linearer Aufbau würde nicht nur die Stromzufuhr erhöhen: Die momentane Ausgangsleistung des Geräts wird auf etwa nur vier Prozent der theoretisch möglichen Obergrenze geschätzt.

Zudem könnte es auch gegenüber schon vorhandenen Technologien zur Energiegewinnung Vorteile geben: Während eine Solarzelle vor allem dank ihrer Länge und Breite Strom erzeugt, diffundiert Wasserfeuchtigkeit über gleich drei Dimensionen. Dies ermögliche eine praktische volumetrische Leistungsdichte von mehr als 1 Kilowatt pro Kubikmeter, so die Forscher. Auf lange Sicht könnte so ein Gerät bei entsprechender Umgebungsfeuchtigkeit bei der Stromproduktion sogar eine Solarzelle übertreffen.

Schon heute können auch kleinere Geräte mit den „Air-Gen“-Geräten betrieben werden und die Forscher hoffen darauf, die Technologie in Zukunft unter anderem auch auf Smartphones anwenden zu können. Ein Teil der Lösung besteht darin, die Produktion der wichtigen Protein-Nanodrähte zu erhöhen. Auch hier werden durch die Entwicklung neuer mikrobieller Stämme bereits Fortschritte erzielt.