Akkus für die Tonne

Die Batterie – die sich außerhalb des menschlichen Körpers sogar Dutzende Male wieder aufladen lässt – eignet sich auch zum Betrieb von elektronischem Kinderspielzeug. Anders als bei handelsüblichen Batterien bestünde bei einem möglichen Verschlucken kein Gesundheitsrisiko. Die Spannung der Batterie ist für Menschen harmlos, selbst wenn sie sich im Körperinnern entlädt. Zwei in Reihe geschaltete Batterien erzeugen gerade mal genügend Strom, um eine LED für ungefähr zwölf Minuten zum Leuchten zu bringen. Ilic beziffert die Leistungsdaten seiner Bio-Batterie mit 0,65 Volt und 48 Mikroampere.

Ideal für Implantate

Auf die doppelte elektrische Spannung, nämlich 1,2 Volt, kommt die rund einen Quadratzentimeter kleine Batterie, die Martin Kaltenbrunner von der österreichischen Universität Linz entwickelt hat. Die Einwegzelle ist zwar nicht unbedingt ess-, aber im Körper abbaubar, sodass sie sich beispielsweise zum Betrieb von intelligenten Implantaten eignet, die Medikamente freisetzen. Bislang verfügbare Einweg-Batterien für Implantate müssen aufgrund ihrer problematischen Inhaltsstoffe aufwendig verkapselt und nach der Anwendung wieder herausoperiert werden. „Unsere Batterie hingegen kann der menschliche Körper problemlos zersetzen“, sagt Kaltenbrunner. „Besonders schnell geschieht dies im Magen, aber auch an anderen Stellen im Gewebe.“ Selbst in 37 Grad Celsius warmem Wasser baut sich die Batterie ab, wie der Elektronikforscher in einem simplen Petrischalen-Test ermitteln konnte: „Bereits nach elf Wochen hatte sie sich zu mehr als 70 Prozent zersetzt“, berichtet Kaltenbrunner.

Das Gehäuse seiner Batterie besteht aus einem Bio-Kunststoff namens Polyglycerinsebacat, den der Organismus in harmlose Einzelbausteine zerlegen kann. Die Anode wird von einer Folie aus Magnesium gebildet, die Kathode von einem Klecks Molybdänoxid. Das sind zwei metallische Stoffe, die als Spurenelemente ohnehin im Körper vorkommen. In Dosen, wie sie bei der Zersetzung der Batterie frei werden, sind sie völlig unbedenklich. Als stark salzhaltiger und daher besonders gut Ionen leitender Elektrolyt fungiert Kalzium-Alginat. Das in der Lebensmittelindustrie als Geliermittel gebräuchliche, algenbasierte Hydrogel hat neben einer guten Verdaulichkeit einen weiteren Vorteil: Es fungiert gleichzeitig als mechanische Trennung von Anode und Kathode.

Nach dem Vorbild von Kirigami

Damit sich die von der Bio-Batterie betriebenen medizinischen Minigeräte der Dynamik des menschlichen Körpers stets anpassen – etwa auch beim Betrieb eines diagnostischen Sensors auf der Haut –, hat Kaltenbrunner alle Bestandteile obendrein biegsam und dehnbar gemacht. Die größte Herausforderung war die Anode aus starrer Magnesium-Folie. Da nahm der Forscher eine Anleihe bei der Papier-Basteltechnik Kirigami: Dank paralleler Schnitte lässt sich die von Haus aus ziemlich starre Folie nun bis zu einem gewissen Grad verformen. Noch ist die biegsame Bio-Batterie aus Linz in der Entwicklungsphase. Sie erreicht eine Leistung von bis zu 196 Mikrowatt pro Quadratzentimeter. Das reicht gerade einmal, um einen kleinen Sensor für ein paar Stunden mit elektrischem Strom zu versorgen.

Der Weg zu mehr Leistung führt laut Kaltenbrunner über die Auswahl der Materialien für die einzelnen Komponenten und über deren elektrochemische Eigenschaften. „Im Prinzip ist die Bandbreite der verwendbaren Materialien unendlich, wir versuchen stetig, die bestmöglichen zu ermitteln“, sagt der Wissenschaftler. Das Problem ist: Je mehr „bio“, desto schlechter sind tendenziell die elektrochemischen Eigenschaften. „Darum variieren wir bei unserer Batterie je nach Einsatzgebiet“, berichtet der Linzer Forscher: „Wenn man zum Beispiel einen kleinen Softroboter baut, der nach seinem Gebrauch nicht im menschlichen Körper abgebaut werden soll, sondern einfach irgendwo im Freien, kann man unter anderem auf Zink basierende Batterieelektroden integrieren. Das steigert die Leistungsfähigkeit.“

Dennoch: Größere Batterien oder gar Auto-Akkus auf Bio-Basis erwartet der Wissenschaftler in absehbarer Zeit nicht. Dazu sei die Energiedichte der natürlichen Materialien einfach nicht hoch genug. „Vielleicht kann man eines Tages Batterien der gängigen Kategorien AA oder AAA biologisch abbaubar herstellen“, meint Kaltenbrunner. „Ob in der gleichen Qualität wie derzeit am Markt vorhandene Produkte, ist jedoch eine andere Frage.“ Die genannten Batterien haben jeweils eine Nennspannung von 1,5 Volt.

Aber selbst wenn nur Kleinstbatterien für den Wegwerfsektor künftig aus rein biologischen Komponenten bestünden, wäre das eine riesige Errungenschaft, findet der Forscher: „Man denke nur an die Millionen von smarten Versandpaketen, die sich künftig selbst tracken sollen.“ Auch deren Elektronik lässt sich mit Kaltenbrunners Batterie betreiben. Die Pakete wären vollständig biologisch abbaubar. „Gerade in diesem Bereich könnte die Entwicklung schnell voranschreiten“, sagt der Elektrochemie-Experte. „Denn hier gibt es viele große Logistik- und Handelsunternehmen, die in entsprechende Batterie-Technologien investieren.“

Bakterienstämme liefern Energie

Derweil hat Seokheun Choi eine Batteriezelle entwickelt, in der sogar der reine Energieerzeugungsprozess biologisch vonstattengeht: durch Bakterien. Der Elektroingenieur von der Binghamton University im US-Bundesstaat New York präsentierte 2023 ein durchsichtiges Plastikgehäuse, in dessen Inneren sich mehrere Kammern mit getrockneten Bakterien verschiedener Stämme befinden – luft- und wasserdicht verpackt. Entfernt man die Isolierverpackung, werden die Mikroorganismen durch die eindringende Luftfeuchtigkeit aktiviert: Der erste Stamm in der obersten Kammer beginnt, Sporen zu bilden, bei deren Erzeugung Energie freigesetzt wird. Der zweite Stamm in der zweiten Kammer erzeugt verschiedene Chemikalien, die den Elektronentransfer verbessern.

Doch anfangs stand Choi vor einem Problem: Seine Batterie-Bakterien überlebten höchstens wenige Stunden, danach waren sie verhungert. Also integrierte der Forscher noch eine dritte Kammer mit einem Bakterienstamm, der sich per Photosynthese selbst versorgt und dabei fortlaufend Ausscheidungen erzeugt, die als Nährstoff für die eigentlichen Stromversorger-Bakterienstämme dienen. Seither läuft‘s, und dank der Autarkie der Bakterien geht der Forscher selbst von einer Batterie-Lebensdauer von 100 Jahren oder mehr aus – bei nahezu gleichbleibender Leistung: Einmal aktiviert, nahm die Stromerzeugung nach einwöchiger Lagerung bei Raumtemperatur zwar um zwei Prozent ab, blieb anschließend aber nahezu konstant.

Allerdings eignet sich die rund drei mal drei Zentimeter große Batterie bislang allenfalls als Notfallhilfe für gestrandete Schiffbrüchige. Laut Choi reicht die produzierte Energie gerade mal aus, um eine kleine LED-Lampe, ein digitales Thermometer oder eine kleine Uhr zu betreiben – und auch das erst nach rund einer Stunde Wartezeit. So lange brauchen die Bakterien nach dem Entfernen der Isolierfolie, bis die Stromproduktion angelaufen ist. Etwas schneller geht es in tropischen Regionen: Bei den dort herrschenden hohen Temperaturen lässt sich der Aktivierungsvorgang im Inneren der Batterie auf 20 Minuten verkürzen. Und: Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto höher fällt auch die elektrische Leistung der Mikroorganismen aus. Die Batterie leistet zwischen 10 und 100 Mikro-Watt.

Auf dem Weg zum intelligenten Staub

Chois ultimatives Ziel ist es, die Bakterien-Batterie immer leistungsstärker und damit kleiner zu züchten. Eines Tages will er damit kaum sichtbare Mini-Sensoren betreiben, die sich in das sogenannte Internet der Dinge integrieren lassen und die Welt mit Informationen von entlegenen Orten versorgen. „Wir nennen das ,intelligenten Staub‘“, sagt Choi. „Schon ein paar Bakterienzellen können genug Energie erzeugen, um diesen Staub zu betreiben. Dann können wir ihn überall dort ausstreuen, wo wir ihn brauchen.“