Eine Batterie, die lebt, Strom liefert und sich spurlos abbaut? Forschende haben mit der Pilzbatterie einen neuen Ansatz geschaffen, der Biologie, 3D-Druck und Nachhaltigkeit vereint. (Bild: EMPA)
Eine Batterie, die man nicht aufladen muss, sondern … füttern? Forschenden der Empa ist mit ihrer 3D-gedruckten, biologisch abbaubaren Pilzbatterie ein Durchbruch gelungen, der sowohl Wissenschaft als auch Umwelt begeistert. Diese innovative Technologie könnte Sensoren in der Landwirtschaft oder Umweltforschung mit Strom versorgen – und sich am Ende ihrer Lebensdauer einfach selbst abbauen.
Wie Pilze zu Energielieferanten werden
Pilze, oft unterschätzte Organismen, bieten erstaunliches Potenzial in der Materialwissenschaft. Ihre Vielseitigkeit reicht von der Lebensmittelherstellung bis zur Biotechnologie. Empa-Forschern haben nun eine neue Anwendung entdeckt: Stromproduktion. Genauer gesagt handelt es sich bei der sogenannten Pilzbatterie um eine mikrobielle Brennstoffzelle. Mikroorganismen, wie Pilze, wandeln Nährstoffe in Energie um. In der Pilzbatterie wird ein Teil dieser Energie als Strom abgegriffen.
Die Pilzbatterie kombiniert zwei spezifische Pilzarten mit unterschiedlichen Funktionen:
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Hefepilz (Anode): Sein Stoffwechsel setzt Elektronen frei und erzeugt so den notwendigen Stromfluss.
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Weissfäulepilz Trametes versicolor (Kathode): Dank eines speziellen Enzyms, das Elektronen einfängt und weiterleitet, schließt er den elektrischen Kreislauf.
Diese symbiotische Kombination ist ein Novum in der Forschung. Die Energie reicht aus, um beispielsweise Temperatursensoren für mehrere Tage zu betreiben – eine attraktive Lösung für Anwendungen in abgelegenen Gebieten oder auf landwirtschaftlichen Flächen, wo Nachhaltigkeit und einfache Handhabung gefragt sind.
Eine einzelne Batterie erzeugt eine maximale Leistungsdichte von 12,5 μW/cm2 und eine maximale Stromdichte von 49,2 μA/cm2 (22 kΩ). Diese Pilz-Biobatterien können mehrere Tage lang zwischen 300 und 600 mV erzeugen und 3-20 μA für externe Lasten zwischen 10 und 100 kΩ liefern. Wenn vier Batterien parallel geschaltet werden, kann ein kleiner Sensor 65 Stunden lang mit Strom versorgt werden. (Bild: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.4c05494)
Die Pilzbatterie, die sich selbst abbaut
Eine Batterie, die man nicht aufladen muss, sondern… füttern? Genau das ist Empa-Forschenden mit ihrer 3D-gedruckten, biologisch abbaubaren Pilzbatterie gelungen. Die lebende Batterie könnte Sensoren für die Landwirtschaft oder die Forschung in abgelegenen Regionen mit Strom versorgen. Ist ihre Arbeit getan, löst sie sich selbst von innen auf. Die Pilzbatterie kann einen Sensor mit niedriger Leistung 62 Stunden lang mit Strom versorgen. Die Forschenden arbeiten daran, die Kapazität und Lebensdauer der Biobatterie in neuen Iterationen zu verbessern.
3D-Druck: Präzision trifft auf Nachhaltigkeit
Ein herausragendes Merkmal der Pilzbatterie ist ihre Fertigung mittels 3D-Druck. Diese hochpräzise Technologie erlaubt es, die Elektrodenstruktur optimal an die Bedürfnisse der Mikroorganismen anzupassen. Dabei wird die Drucktinte, eine innovative Mischung auf Basis von Cellulose, als Strukturmaterial und Nahrungsquelle für die Pilze genutzt.
Die Herstellung dieser Tinte stellte das Team vor mehrere Herausforderungen:
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Elektrische Leitfähigkeit: Die Tinte muss Strom leiten können.
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Biologische Kompatibilität: Die Pilzzellen dürfen während des Druckprozesses nicht geschädigt werden.
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Nachhaltigkeit: Die Struktur muss biologisch abbaubar sein und gleichzeitig die Nährstoffversorgung der Pilze sicherstellen.
Das Team um Gustav Nyström und Carolina Reyes hat eine Tinte entwickelt, die all diesen Anforderungen gerecht wird. Die Batterie wird durch Zugabe von Wasser und Zucker aktiviert und kann im getrockneten Zustand lange gelagert werden, was sie besonders praktisch für den Einsatz in der Praxis macht.
Mikrobiologie trifft Elektrotechnik
Die Entwicklung der Pilzbatterie erforderte ein interdisziplinäres Team aus Experten der Mikrobiologie, Materialwissenschaft und Elektrotechnik. Beispielsweise musste sich Mikrobiologin Carolina Reyes intensiv in die Elektrochemie und 3D-Drucktechnologien einarbeiten, um die komplexen Anforderungen an das lebende Material mit den elektrischen und strukturellen Eigenschaften zu verbinden.
Die interdisziplinäre Zusammenarbeit war entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung der Pilzbatterie. Sie vereint das Know-how aus unterschiedlichen Fachrichtungen und zeigt, wie innovative Technologien durch die Kombination von Biologie und Technik entstehen können.
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Was sind die Perspektiven und Herausforderungen der Pilzbatterie?
Der aktuelle Prototyp der Pilzbatterie kann einen Temperatursensor bis zu 62 Stunden mit Strom versorgen. Dies ist bereits ein bedeutender Erfolg, doch die Forscher sehen noch viel Potenzial für Verbesserungen. Ziel ist es, die Kapazität und Lebensdauer weiter zu erhöhen, um die Anwendungsmöglichkeiten auszuweiten.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Suche nach weiteren Pilzarten mit potenziell nutzbaren Eigenschaften. Die Natur bietet hier eine immense Vielfalt, die bislang kaum ausgeschöpft ist. Besonders in der Materialwissenschaft könnten Pilze eine bedeutende Rolle spielen, da sie biologisch abbaubar und vielfältig einsetzbar sind.
Darüber hinaus bietet der Einsatz von 3D-Druck weitere Vorteile: Es können spezifische Formate und Energiemengen präzise gestaltet werden, wodurch Ressourcen geschont und individuelle Anforderungen erfüllt werden.
Nachhaltigkeit im Fokus
Herkömmliche Batterien enthalten oft giftige Chemikalien und schwer recycelbare Materialien. Die Pilzbatterie hingegen ist vollständig biologisch abbaubar und hinterlässt keine schädlichen Rückstände. Nach ihrem Einsatz wird sie von innen heraus durch die Pilze abgebaut. Dies macht sie zu einer umweltfreundlichen Alternative für viele Anwendungen.
Die Vision der Empa-Forscher geht weit über den aktuellen Prototyp hinaus. Sie streben Batterien an, die nicht nur nachhaltig Energie liefern, sondern sich auch nahtlos in natürliche Kreisläufe integrieren. Diese Entwicklungen könnten einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigen Energiezukunft leisten.
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