Winzige „Wolkenkratzer“ helfen Bakterien, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln

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Neue Form der Biokraftstofferzeugung durch 3D-gedruckte maßgeschneiderte Elektroden

Forscher der University of Cambridge haben winzige „Wolkenkratzer“ für Bakteriengemeinschaften hergestellt, mit deren Hilfe sie aus Sonnenlicht und Wasser Strom erzeugen können. Die Forscher haben mit Hilfe des 3D-Drucks Gitter mit „hohen Nano-Häusern“ geschaffen, in denen sonnenliebende Bakterien schnell wachsen können. Die Forscher waren dann in der Lage, die bei der Photosynthese anfallenden Abfallelektronen der Bakterien zu extrahieren, die zur Versorgung kleiner elektronischer Geräte verwendet werden können.

Grüne Chemie – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Andere Forschungsteams haben schon vorher Energie aus photosynthetischen Bakterien gewonnen, aber die Forscher in Cambridge haben herausgefunden, dass die Energiemenge, die sie gewinnen können, um mehr als eine Größenordnung steigt, wenn man ihnen die richtige Umgebung bietet. Der Ansatz ist wettbewerbsfähig gegenüber herkömmlichen Methoden der Erzeugung erneuerbarer Bioenergie und hat bereits solare Umwandlungswirkungsgrade erreicht, die viele aktuelle Methoden der Biokraftstofferzeugung übertreffen können.

Die in Nature Materials veröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Wege in der Bioenergieerzeugung und deuten darauf hin, dass „biohybride“ Solarenergiequellen eine wichtige Komponente im kohlenstofffreien Energiemix sein könnten. Die derzeitigen Technologien für erneuerbare Energien, wie Solarzellen auf Siliziumbasis und Biokraftstoffe, sind den fossilen Brennstoffen in Bezug auf die Kohlenstoffemissionen weit überlegen, haben aber auch ihre Grenzen, z. B. die Abhängigkeit vom Bergbau, die Schwierigkeiten beim Recycling und die Abhängigkeit von der Landwirtschaft und der Landnutzung, die zum Verlust der biologischen Vielfalt führt. „Unser Ansatz ist ein Schritt auf dem Weg zu noch nachhaltigeren Geräten für erneuerbare Energien in der Zukunft“, sagte Jenny Zhang vom Yusuf Hamied Department of Chemistry, welche die Forschung leitete. Zhang und ihre Kollegen aus dem Fachbereich Biochemie und dem Fachbereich Materialwissenschaft und Metallurgie arbeiten daran, Bioenergie in eine nachhaltige und skalierbare Form zu überführen.

Photosynthetische Bakterien, auch Cyanobakterien genannt, sind die am häufigsten vorkommenden Lebewesen auf der Erde. Seit mehreren Jahren versuchen Forscher, die Photosynthesemechanismen von Cyanobakterien „neu zu verdrahten“, um Energie aus ihnen zu gewinnen. „Es gab einen Engpass in Bezug darauf, wie viel Energie man tatsächlich aus photosynthetischen Systemen gewinnen kann, aber niemand verstand, wo dieser Engpass lag“, so Zhang. „Die meisten Wissenschaftler nahmen an, dass der Engpass auf der biologischen Seite, in den Bakterien, liegt, aber wir haben herausgefunden, dass ein wesentlicher Engpass tatsächlich auf der materiellen Seite liegt.“

Um zu wachsen, brauchen Cyanobakterien viel Sonnenlicht – wie die Oberfläche eines Sees im Sommer. Und um die Energie zu gewinnen, die sie durch Photosynthese erzeugen, müssen die Bakterien an Elektroden befestigt werden. Das Team in Cambridge druckte maßgeschneiderte Elektroden aus Metalloxid-Nanopartikeln in 3D, die auf die Cyanobakterien zugeschnitten sind, wenn sie Photosynthese betreiben. Die Elektroden wurden als stark verzweigte, dicht gepackte Säulenstrukturen gedruckt, wie eine winzige Stadt.

Zhangs Team hat eine Drucktechnik entwickelt, die eine Kontrolle über mehrere Längenskalen ermöglicht, wodurch die Strukturen in hohem Maße anpassbar sind, was für eine breite Palette von Bereichen von Nutzen sein könnte. „Die Elektroden haben hervorragende Lichteigenschaften, wie eine Hochhauswohnung mit vielen Fenstern“, sagt Zhang. „Cyanobakterien brauchen etwas, an das sie sich anheften und mit ihren Nachbarn eine Gemeinschaft bilden können. Unsere Elektroden ermöglichen ein Gleichgewicht zwischen viel Oberfläche und viel Licht – wie ein gläserner Wolkenkratzer.“

Sobald die selbstorganisierenden Cyanobakterien in ihrem neuen „verdrahteten“ Zuhause waren, stellten die Forscher fest, dass sie effizienter waren als andere aktuelle Bioenergietechnologien wie Biokraftstoffe. Die Technik steigerte die gewonnene Energiemenge um mehr als eine Größenordnung gegenüber anderen Methoden zur Erzeugung von Bioenergie durch Photosynthese.

„Ich war überrascht, dass wir diese Zahlen erreichen konnten – ähnliche Zahlen werden schon seit vielen Jahren vorhergesagt, aber dies ist das erste Mal, dass diese Zahlen experimentell nachgewiesen wurden“, so Zhang. „Cyanobakterien sind vielseitige chemische Fabriken. Unser Ansatz ermöglicht es uns, ihren Energieumwandlungsweg zu einem frühen Zeitpunkt anzuzapfen, was uns hilft zu verstehen, wie sie die Energieumwandlung durchführen, so dass wir ihre natürlichen Wege für erneuerbare Kraftstoffe oder die Erzeugung von Chemikalien nutzen können.“

Die Forschung wurde zum Teil vom Biotechnology and Biological Sciences Research Council, dem Cambridge Trust, dem Isaac Newton Trust und dem Europäischen Forschungsrat unterstützt. Jenny Zhang ist BBSRC David Phillips Fellow in der Abteilung für Chemie und Fellow des Corpus Christi College, Cambridge.

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