Die Bakterien, die eine wahrhaft grüne Revolution in der persönlichen Elektronik vorantreiben
Ein Team der UMass Amherst entwickelt einen Biofilm, der aus Ihrem Schweiß langfristig und kontinuierlich Strom erzeugen kann
Forscher der University of Massachusetts Amherst gaben kürzlich bekannt, dass sie einen Biofilm entwickelt haben, der die Verdunstungsenergie aufnimmt und in Strom umwandelt. Dieser Biofilm hat das Potenzial, die Welt der tragbaren Elektronik zu revolutionieren und alles von persönlichen medizinischen Sensoren bis hin zu persönlicher Elektronik mit Strom zu versorgen.
Ein mit einem Biofilm betriebener Sensor am Hals, der das mechanische Signal des Schluckens misst.
Liu et al., 10.1038/s41467-022-32105-6
"Dies ist eine sehr aufregende Technologie", sagt Xiaomeng Liu, Doktorand der Elektro- und Computertechnik am College of Engineering der UMass Amherst und Hauptautor der Studie. "Es handelt sich um echte grüne Energie, und im Gegensatz zu anderen so genannten 'grünen Energiequellen' ist ihre Produktion völlig umweltfreundlich.
Das liegt daran, dass dieser Biofilm - eine dünne Schicht von Bakterienzellen, etwa so dick wie ein Blatt Papier - auf natürliche Weise von einer manipulierten Version des Bakteriums Geobacter sulfurreducens produziert wird. G. sulfurreducens ist dafür bekannt, Elektrizität zu erzeugen, und wurde bereits in "mikrobiellen Batterien" zur Stromversorgung elektrischer Geräte eingesetzt. Solche Batterien erfordern jedoch, dass G. sulfurreducens ordnungsgemäß gepflegt und ständig mit Nahrung versorgt wird. Im Gegensatz dazu funktioniert dieser neue Biofilm, der genauso viel, wenn nicht sogar mehr, Energie liefern kann als eine Batterie vergleichbarer Größe, und zwar kontinuierlich, weil er tot ist. Und weil er tot ist, muss er nicht gefüttert werden.
"Es ist viel effizienter", sagt Derek Lovley, Distinguished Professor für Mikrobiologie an der UMass Amherst und einer der Hauptautoren der Studie. "Wir haben den Prozess der Stromerzeugung vereinfacht, indem wir die Menge der erforderlichen Verarbeitung radikal reduziert haben. Wir züchten die Zellen nachhaltig in einem Biofilm und nutzen dann diese Zellagglomeration. Das reduziert den Energieaufwand, macht alles einfacher und erweitert die Anwendungsmöglichkeiten".
Das Geheimnis dieses neuen Biofilms ist, dass er Energie aus der Feuchtigkeit der Haut gewinnt. Obwohl wir täglich über Solarenergie lesen, gehen mindestens 50 % der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, in die Verdunstung von Wasser. "Dies ist eine riesige, ungenutzte Energiequelle", sagt Jun Yao, Professor für Elektro- und Computertechnik an der UMass und der andere Hauptautor der Studie. Da die Oberfläche unserer Haut ständig durch Schweiß feucht ist, kann der Biofilm die in der Verdunstung gebundene Energie in genügend Energie umwandeln, um kleine Geräte zu betreiben.
"Der begrenzende Faktor bei tragbaren elektronischen Geräten", sagt Yao, "war immer die Stromversorgung. Die Batterien gehen zur Neige und müssen ausgetauscht oder aufgeladen werden. Außerdem sind sie sperrig, schwer und unbequem". Aber ein durchsichtiger, kleiner, dünner, flexibler Biofilm, der eine kontinuierliche und gleichmäßige Stromversorgung erzeugt und der wie ein Pflaster direkt auf der Haut getragen werden kann, löst all diese Probleme.
Das Ganze funktioniert, weil G. sulfurreducens in Kolonien wächst, die wie dünne Matten aussehen, und jede der einzelnen Mikroben ist mit ihren Nachbarn durch eine Reihe natürlicher Nanodrähte verbunden. Das Team erntet dann diese Matten und verwendet einen Laser, um kleine Schaltkreise in die Filme zu ätzen. Sobald die Filme geätzt sind, werden sie zwischen Elektroden eingeklemmt und schließlich mit einem weichen, klebrigen, atmungsaktiven Polymer versiegelt, das man direkt auf die Haut auftragen kann. Sobald diese winzige Batterie durch Auftragen auf den Körper "eingesteckt" ist, kann sie kleine Geräte mit Strom versorgen.
"Unser nächster Schritt besteht darin, die Größe unserer Folien zu erhöhen, um anspruchsvollere, auf der Haut tragbare Elektronik zu betreiben", sagt Yao, und Liu weist darauf hin, dass eines der Ziele darin besteht, ganze elektronische Systeme statt einzelner Geräte zu betreiben.
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