Photosynthese-Zelle Blaualgen versorgen Mikroprozessor sechs Monate ununterbrochen mit Strom

Forscher haben eine weit verbreitete Blaualgenart benutzt, um mithilfe von Photosynthese Strom zu erzeugen. Mit der erzeugten Energie haben sie einen Mikroprozessor über den Zeitraum von sechs Monaten ununterbrochen mit Strom versorgen können.

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University of Cambridge

Die Energiekrise ist einer der größten unserer Zeit und auch in den kommenden Jahrzehnten wird der weltweite Energiehunger drastisch zunehmen. Vor allem das IoT (Internet der Dinge) als stetig wachsendes Netz elektronischer Geräte mit Computerchips wie etwa Smartwatches, Industriesensoren und Co. sorgt dafür, dass vor allem der Bedarf nach winzigen und tragbaren Energiezellen massiv anwachsen wird.

Forscher sind sich einig: Mit der aktuellen Lithium-Ionen-Technologie in Batterien werden wir nicht ausreichend Rohstoffe zur Verfügung haben, um viele Milliarden von Geräten im IoT mit Energie zu versorgen. Im Jahr 2035 würde nach der aktuellen Wachstumsrate im IoT dreimal mehr Lithium benötigt als jährlich für Batterien produziert werden könnte.

Ein Team aus Forschern der Universität Cambridge und Arm, einem Unternehmen, das Mikroprozessoren entwickelt, fand sich für eine von der National Biofilms Innovation Centre finanzierten Studie zusammen, um Lösungen für die zukünftigen Probleme zu finden. Das Gerät funktioniert durch Photosynthese mit nichts anderem als Umgebungslicht und Wasser. Das System hat die Größe einer gewöhnlichen AA-Batterie und enthält die Algenart Synechocystis, gemeinhin als Blaualge bekannt, die durch Photosynthese Energie erntet.

Das Gerät besteht aus gewöhnlichen, preiswerten und recyclebaren Materialien und kann schnell und kostengünstig vervielfältigt werden. Dem Team ist es damit gelungen, einen Mikroprozessor sechs Monate ununterbrochen mit Strom zu versorgen. Laut den Forschern wird das Gerät seine Stärken vor allem an abgelegenen Orten und in netzunabhängigen Situationen ausspielen.

Professor Christopher Howe vom Fachbereich Biochemie der Universität Cambridge, einer der Hauptautoren der Studie, erklärt: „Das wachsende Internet der Dinge benötigt immer mehr Energie, und wir glauben, dass diese von Systemen kommen muss, die Energie erzeugen können, anstatt sie einfach wie Batterien zu speichern. Unser photosynthetisches Gerät entlädt sich nicht wie eine Batterie, da es kontinuierlich Licht als Energiequelle nutzt.“

Photosynthese erzeugt in Dunkelheit Strom

Für das Experiment wurde der Arm-Mikroprozessor Cortex M0+ verwendet. Ein Chip, der sich häufig in IoT-Geräten findet. Das System wurde zudem unter natürlichen Bedingungen in einer natürlichen Umgebung und im Freien mit den üblichen Temperaturschwankungen betrieben. Nach sechs Monaten kontinuierlicher Stromerzeugung reichte das Team die Ergebnisse zur Veröffentlichung ein.

Die Alge erzeugt Nahrung durch Photosynthese und zur Überraschung der Forscher gelang das der Blaualge auch in Dunkelheit. Das liegt möglicherweise daran, dass die Alge einen Teil ihrer Nahrung dann verarbeitet, wenn kein Licht mehr vorhanden ist. Die Intensität der Energieerzeugung nimmt jedoch ab, aber unterbrochen wird sie nicht.

Dr. Paolo Bombelli vom Fachbereich Biochemie der Universität Cambridge, Erstautor der Studie zeigt sich zufrieden: „Wir waren beeindruckt, wie beständig das System über einen langen Zeitraum funktionierte - wir dachten, es würde nach ein paar Wochen aufhören, aber es lief einfach weiter.“

Allerdings wird noch nicht viel Energie erzeugt. Der Cortext0+Chip, das Board und die Schnittstelle zur Cloud für die Datenerfassung benötigen für den Betrieb lediglich 0,3V. Laut Messungen des Teams zeigt der Aufbau Spannungen zwischen 0,4V und 1V.

Der aktuelle Versuchsaufbau liefert 0,36 µW pro Quadratzentimeter bei Beleuchtung. Bei Dunkelheit immerhin noch 0,2 µW pro Quadratzentimeter. Bei 10,2 Quadratzentimeter an beleuchteter Fläche produzierte das Gerät also zwischen 2 und 3 µW. Die ersten Experimente sind Laborversuche, aber die Forscher sind zuversichtlich. Sie haben bereits zwei weitere Algenarten identifiziert, die mehr Strom produzieren können. Die Studie erschien im Magazin Energy & Environmental Science.

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