Die Pilzbatterie, die von einer Bienenwachskapsel umschlossen ist. (Bild: Empa)
Eine Batterie, die man nicht aufladen, sondern... füttern muss? 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. Nach getaner Arbeit löst sie sich von selbst auf.
In Kürze
Was ist eine Pilz-Batterie?
Eine innovative Bio-Batterie, die durch lebende Pilze Energie erzeugt.
Wie funktioniert die Stromgewinnung mit Pilzen?
Pilze im Anoden- und Kathodenbereich setzen Elektronen frei und leiten diese weiter.
Warum sind Pilz-Batterien umweltfreundlich?
Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien sind sie biologisch abbaubar und ungiftig.
Wie werden die Biozellen hergestellt?
Mittels 3D-Druck wird das Material so strukturiert, dass die Pilze optimal wachsen.
Welche Anwendungsbereiche gibt es?
Für Umweltsensoren in entlegenen Regionen, wo herkömmliche Batterien problematisch sind.
Anwendung in Landwirtschaft oder Umweltforschung
In einem dreijährigen Projekt haben Forschende der Empa-Abteilung "Cellulose and Wood Materials" eine funktionierende Pilzbatterie entwickelt. Viel Strom produzieren die lebenden Zellen nicht - aber genug, um zum Beispiel einen Temperatursensor einige Tage mit Energie zu versorgen. Solche Sensoren werden in der Landwirtschaft oder in der Umweltforschung eingesetzt. Der größte Vorteil der Pilzbatterie: Sie ist im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien nicht nur völlig ungiftig, sondern auch biologisch abbaubar.
Mikrobielle Brennstoffzelle wandelt Nährstoffe in Energie um.
Korrekterweise handelt es sich nicht um eine Batterie, sondern um eine sogenannte mikrobielle Brennstoffzelle. Mikroorganismen wandeln wie alle Lebewesen Nährstoffe in Energie um. Mikrobielle Brennstoffzellen machen sich diesen Stoffwechsel zunutze und gewinnen einen Teil der Energie als elektrischen Strom. Bisher wurden sie vor allem mit Bakterien betrieben. "Wir haben erstmals zwei Pilzarten zu einer funktionierenden Brennstoffzelle kombiniert", sagt Empa-Forscherin Carolina Reyes.
Der Stoffwechsel der beiden Pilze ergänzt sich: Auf der Anodenseite sitzt ein Hefepilz, dessen Stoffwechsel Elektronen freisetzt. Auf der Kathode sitzt ein Weißfäulepilz, die Samtige Tramete. Die Tramete produziert ein spezielles Enzym, mit dessen Hilfe die Elektronen eingefangen und aus der Zelle abtransportiert werden können.
Die Pilze werden nicht in die Batterie «gepflanzt», sondern sind von Anfang an integraler Bestandteil der Zelle. Die Komponenten der Pilzbatterie werden im 3D-Druckverfahren hergestellt. So können die Forschenden die Elektroden so strukturieren, dass die Mikroorganismen möglichst einfach an die Nährstoffe gelangen. Dazu werden die Pilzzellen unter die Drucktinte gemischt. Einfacher gesagt als getan: «Es ist schon anspruchsvoll, ein Material zu finden, in dem die Pilze gut wachsen», sagt Gustav Nyström, Leiter des Labors «Cellulose and Wood Materials». «Die Tinte muss sich aber auch gut extrudieren lassen, ohne dass die Pilzzellen absterben - und natürlich muss sie elektrisch leitfähig und biologisch abbaubar sein.»
Zucker aktiviert die Pilz-Batterien
Dank der großen Erfahrung ihres Labors im 3D-Druck von biobasierten flexiblen Materialien ist es den Forschenden gelungen, eine geeignete Tinte auf Zellulosebasis herzustellen. Die Pilzzellen können die Cellulose sogar als Nährstoffquelle nutzen und helfen so mit, die Zelle nach Gebrauch wieder abzubauen. Ihre bevorzugte "Nahrung" sind jedoch einfache Zuckermoleküle, die den Batterien zugesetzt werden. "Man kann die Pilzbatterien in getrocknetem Zustand aufbewahren und am Einsatzort einfach durch Zugabe von Wasser und Nährstoffen aktivieren", sagt Reyes.
Das folgende Video zeigt den Herstellungsprozess der Pilz-Batterie:
Nun wollen die Forschenden die Pilzbatterie leistungsfähiger und langlebiger machen - und nach weiteren Pilzarten suchen, die sich als Stromlieferanten eignen. "Gerade im Bereich der Materialwissenschaften sind Pilze noch zu wenig erforscht und genutzt", sind sich Reyes und Nyström einig.
