US-Forscher testen neue Unterwasserbatterien mit Hilfe von Meeresbakterien

Das geführte Team testet mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs), die Bakterien nutzen, um gelöste organische Stoffe und mikroskopische marine Biomasse in elektrischen Strom umzuwandeln.

Forscher geben an, dass die Technologie zukünftig Sensoren für die maritime Verteidigung, ökologische Überwachungssysteme und akustische Netzwerke unter Wasser unterstützen könnte. „Es gibt eine zunehmende Verbreitung aller Arten Umwelt zur Beobachtung ökologischer Bedingungen, Organismenwanderungen und Akustik, die für die maritime Verteidigung relevant ist", sagte Amy Marcarelli, Professorin für biologische Wissenschaften an der Michigan Tech.

Die Forscher haben bereits eine 30-tägige Unterwasser-Einsatzphase in der Chesapeake Bay abgeschlossen, in der die Prototyp-Systeme auch bei vollständiger Untertauchung weiterhin Strom erzeugten. Mikroben erzeugen Meeresenergie: Mikrobielle Brennstoffzellen funktionieren durch den Einsatz, die während des Stoffwechsels natürlicherweise Elektronen übertragen.

Im vom Michigan Tech-Team entwickelten System

Im vom Michigan Tech-Team entwickelten System bewegen sich Elektronen zwischen einer Anode und einer Kathode und erzeugen so nutzbaren elektrischen Strom. Eine der zentralen ingenieurtechnischen Herausforderungen besteht darin, dass Meerwasser deutlich weniger organisches Material enthält als Umgebungen, in denen mikrobielle Brennstoffzellen üblicherweise eingesetzt werden, wie beispielsweise Kläranlagen.

Zudem weisen marine Umgebungen hohe Sauerstoffkonzentrationen auf, die den Energieerzeugungsprozess der Mikroorganismen beeinträchtigen. Um die Leistung zu steigern, verwendeten die Forscher granulierten Aktivkohle im Inneren von röhrenförmigen Brennstoffzellen.

Das Material konzentriert organische Substanzen und bietet eine Oberfläche, auf der sich Biofilme bilden können und die Mikroorganismen auch unter sauerstoffreichen Bedingungen weiterhin Strom erzeugen können. „Das grundlegende Prinzip ist, dass Mikroorganismen während ihres Stoffwechsels Elektronen transportieren", sagte Marcarelli. "In einer mikrobiellen Brennstoffzelle übertragen diese Prozesse Elektronen und erzeugen so einen elektrischen Strom, den wir nutzen können." Die Forscher haben das System zudem neu gestaltet, um die Energieeffizienz zu steigern und die Installation zu vereinfachen.

Neuere Versionen verwenden modulare, stapelbare Einheiten

Neuere Versionen verwenden modulare, stapelbare Einheiten mit individuellen Pumpen und Steuerplatinen. Die neuesten Prototypen wurden in der Galveston Bay getestet, wobei drei während der Unterwasser-Tests erfolgreich Strom erzeugten. Die Sensoren bleiben untergetaucht.

Das System ist so konzipiert, dass es vollständig unter Wasser betrieben werden kann, ohne auf Wellenenergie an der Oberfläche oder menschliche Wartung angewiesen zu sein. Forscher geben an, dass dies es Ozeansensoren ermöglichen könnte, in abgelegenen Umgebungen längere Zeit aktiv zu bleiben.

Das Team hat zudem prädiktive Modelle auf Basis, um abzuschätzen, wo mikrobielle Brennstoffzellen in globalen Küstenregionen ausreichend Energie erzeugen könnten. „Was wir tatsächlich tun, ist, Fernerkundungsdaten, Felddaten, experimentelle Laborergebnisse und eigentliche MFC-Einsatzversuche zu kombinieren", sagte Michael Sayers, leitender Wissenschaftler am Michigan Tech Research Institute.

Die Forscher bereiten derzeit einen größeren Einsatz vor, der 10 mikrobielle Brennstoffzellen in der Chesapeake Bay umfasst. Ziel ist es, die Langzeitleistung zu untersuchen und zu ermitteln, ob die Systeme langfristig sogar jahrelange Unterwasseroperationen unterstützen könnten.