Edelstahlkomponente steigert die Leistungsabgabe von Biobatterien auf Bakterienbasis

Technische Innovationen erfordern in der Regel viele Stunden im Labor und zahlreiche Versuche und Irrtümer, bevor man die beste Lösung findet.

Manchmal jedoch, wenn man Glück hat, liegt die Antwort direkt vor der Nase – oder in diesem Fall unter den Füßen.

Seokheun ​„Sean“ Choi, Professor an der Binghamton University, hat in den letzten zehn Jahren eine Reihe von bakterienbetriebenen Biobatterien entwickelt und dabei auf seinen Erkenntnissen aufgebaut, um die nächste Generation zu verbessern. Die größte Einschränkung ist nicht seine Vorstellungskraft – er jongliert immer mit mehreren Projekten gleichzeitig –, sondern die Materialien, mit denen er arbeiten muss.

Als Choi – Fakultätsmitglied am Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science, Abteilung für Elektrotechnik und Informationstechnik – einen Kooperationspartner suchte, der eine spezielle Edelstahlkomponente herstellen konnte, fand er jemanden direkt unter seinem Büro im Engineering and Science Building der Binghamton University.

Es hat sich herausgestellt, dass Assistenzprofessor Dehao Liu vom Fachbereich Maschinenbau der Watson-Universität ein Experte für die Laser-Pulverbett-Fusionstechnologie (LPBF) ist, einem neuen Verfahren zum Drucken von Mikroarchitekturen aus Edelstahl.

„LPBF ist ideal für Biobatterien, da es hochpräzise, anpassbare 3D-Strukturen mit komplexen Geometrien ermöglicht, die für die Maximierung der Oberfläche und Energiedichte unerlässlich sind“, sagte Liu.

Kürzlich veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Advanced Energy & Sustainability Research einen Artikel, in dem sie ihre Ergebnisse vorstellen, die dazu beitragen könnten, kleine, autonome Geräte wie Sensoren für das Internet der Dinge mit Strom zu versorgen, das zunehmend alles in unserem Leben miteinander verbindet.

Weitere Forscher, die an dem Projekt beteiligt sind, sind ECE-Assistenzprofessor Anwar Elhadad, PhD ​’24 (ehemaliger Student von Choi), Yang ​„Lexi“ Gao (sein derzeitiger Doktorand) sowie die Doktoranden von Liu, Guangfa Li und Jiaqi Yang. Die Forschung wird durch Chois Zuschuss der National Science Foundation für 2024 finanziert.

„Ich bin sehr glücklich über diese Zusammenarbeit“, sagte Choi. ​„Dadurch wird diese Version der Biobatterie für mich sehr bedeutungsvoll.“

So funktioniert es

Endosporen liefern den Brennstoff für eine elektrochemische Reaktion, die elektrischen Strom erzeugt. Diese ruhenden Formen von Bakterien zeigen eine außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Umweltbelastungen und werden aktiv, wenn die Bedingungen günstig sind.

Die Biobatterie benötigt drei Komponenten, um zu funktionieren: eine positive Elektrode (die Kathode), eine negative Elektrode (die Anode) und eine Membran, in der die zwischen den beiden ausgetauschten Ionen elektrischen Strom erzeugen. Für eine optimale Leistungsabgabe muss die Anode – wo sich die Bakterien befinden – dreidimensional sein, damit sich die Organismen auf kleinstem Raum ansiedeln und vermehren können.

„Eine zweidimensionale Anode ist nicht effizient“, sagte Choi. ​„Die Nährstoffe werden nicht effektiv an die Bakterien abgegeben, und ihre Abfallprodukte können nicht effektiv abtransportiert werden.“

Die Herstellung von 3D-Anoden wird dadurch erschwert, dass Materialien auf Kohlenstoff- oder Polymerbasis eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen und für den täglichen Gebrauch oft zu empfindlich sind. Ihre Mikrofabrikationsprozesse erfordern zudem hohe Temperaturen, die für Bakterien tödlich sein können.

„Vor zwei Jahren haben wir begonnen, Edelstahlgewebe als Anode zu verwenden, da es eine sehr gute Leitfähigkeit aufweist und strukturell sehr stabil ist“, so Choi. ​„Es ist uns gelungen, die mikrobielle Brennstoffzelle in solche Elektronikgeräte zu integrieren. Das Problem bei handelsüblichen Geweben ist, dass wir ihre Porosität und Rauheit nicht kontrollieren können. Wir kaufen sie einfach und geben dann Bakterienzellen hinein.“

Beim LPBF-Verfahren wird eine Schicht Metallpulver aufgetragen, geschmolzen und dann mit einem Laser verfestigt, um eine feste Metallschicht zu erzeugen. Diese zweidimensionalen Schichten verbinden sich zu 3D-Komponenten. Die Details des gedruckten Teils können bis auf die nanoskopische Ebene geplant werden.

„Wir haben hier das Potenzial erkannt“, sagte Choi. ​„Dann haben wir auch andere Komponenten mit 3D-Druck hergestellt, wie eine Dichtungsabdeckung und den Kathodenteil, und sie einfach wie Legosteine zusammengesetzt.“

Die Biobatterien können zur Leistungssteigerung in Reihe oder parallel geschaltet werden. Sechs Batterien erreichen eine Leistung von fast 1 Milliwatt – genug, um ein 3,2‑Zoll-Dünnschichttransistor-Flüssigkristall-Display mit Strom zu versorgen. Dies ist eine der höchsten elektrischen Leistungen, die Choi mit seinen Biobatterie-Konstruktionen erzielt hat.

Choi wies darauf hin, dass die Edelstahlkomponenten einen weiteren Vorteil haben: ​„Man kann die Bakterienzellen ablösen und wiederverwenden, und wir haben gezeigt, dass die Leistungsstärke auch nach mehrmaligem Gebrauch erhalten bleibt.“

„Inspirierende“ Innovation

Für Elhadad knüpft diese neueste Veröffentlichung direkt an seine Doktorarbeit an, die er als Student von Choi verfasst hat.

„In meiner Doktorarbeit habe ich mich auf die Entwicklung bioelektronischer Systeme konzentriert, die nachhaltige Technologien zur Energiegewinnung integrieren, insbesondere mikrobielle Brennstoffzellen“, sagte er. ​„Diese Forschung baut auf dieser Grundlage auf und befasst sich mit einigen der wichtigsten Herausforderungen, denen ich während meiner Dissertation begegnet bin – insbesondere der Notwendigkeit skalierbarer, leistungsstarker und strukturell robuster Elektrodenmaterialien.“

Elhadad fügte hinzu, dass die Zusammenarbeit mit Choi ​„inspirierend und intellektuell anregend“ sei.

„Er fördert Kreativität und erweitert die Grenzen des Möglichen, insbesondere wenn es um die Integration von Biologie und Elektronik geht“, sagte er. ​„Unsere Zusammenarbeit ist sehr praxisorientiert – vom Entwurf von Experimenten bis hin zur Fehlerbehebung bei Materialien und Fertigungstechniken. Er hat eine klare Vision, ist aber immer offen für neue Ideen, wodurch sich unsere Arbeit sowohl strukturiert als auch innovativ anfühlt.“

Mit Blick auf die Zukunft möchte das Team aus Binghamton ein einheitliches Druckverfahren für die Komponenten der Biobatterie entwickeln, anstatt jede Komponente separat herzustellen. Ein weiteres Ziel ist die Verbesserung der Energiegewinnung durch ein Energiemanagementsystem, das das Laden und Entladen der Batterie ähnlich wie bei einer Solarzelle steuert.

Die Original-Publikation kann hier eingesehen werden.

_{(Übersetzt mit DeepL)}