Stromerzeugung wie beim Zitteraal

Zitteraale können beträchtliche Stromschläge austeilen, wenn sie sich verteidigen müssen. Forscher wollen diese Fähigkeit nachahmen, um elektronische Geräte mit Strom zu versorgen.

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Nach dem Vorbild des Zitteraals haben Forscher eine weiche und biegsame Stromquelle entwickelt, die ohne Batterie oder Kabelanschluss auskommt. Bei weiterer Verbesserung könnte eine solche Technologie künftig Implantate, tragbare Elektronik und andere mobile Geräte mit Strom versorgen, schreiben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature.

Das Team um Michael Mayer von der Universität Freiburg (Schweiz) nutzte Hydrogele mit unterschiedlichem Salzgehalt, um eine elektrische Spannung aufzubauen. Noch übertrifft der Zitteraal, der eine Spannung von über 600 Volt erzeugen kann, die Forscher in puncto Energieerzeugung allerdings bei Weitem.

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Der Zitteraal (Electrophorus electricus) setzt seine Stromschläge vor allem zur Jagd und zur Verteidigung ein. Fast der gesamte Körper der Fische ist dazu mit stromerzeugenden Organen besetzt, sogenannten Elektroplax. In diesen sind zahlreiche elektrische Zellen - Elektrozyten - in Reihe geschaltet. Dieses Prinzip nahmen sich die Forscher zum Vorbild: "Um ein künstliches elektrisches Organ zu erzeugen, ahmten wir die Anatomie des Aals nach, indem wir vier Hydrogel-Zusammensetzungen in Analogie zu den vier Hauptbestandteilen eines Elektrozyten verwendeten", heißt es in der Studie.

Zwei Hydrogele enthalten eine Kochsalzlösung, eines eine konzentrierte, das andere eine schwache. Sie werden voneinander getrennt durch Hydrogel-Membranen, die entweder nur positiv geladene oder nur negativ geladene Ionen passieren lassen. Sobald die Hydrogele miteinander in Berührung kommen, diffundieren die Ionen durch die Membranen, es entstehen positiv und negativ geladene Zonen, eine elektrische Spannung baut sich auf.

Mayer und Kollegen experimentierten mit verschiedenen Anordnungen der Hydrogele: In einem Modell befinden sie sich hintereinander angeordnet in einem Schlauch, voneinander getrennt durch Motoröl. Wenn das Öl entfernt wird, kommen die Hydrogele zusammen und die Spannung wird generiert. In einem anderen Versuch druckten die Wissenschaftler Gelperlen auf Kunststoffbögen. Werden die Bögen zusammengeführt, entsteht durch den Kontakt der Gelperlen miteinander die Spannung.

Zwar konnte auf diese Weise eine Spannung von 110 Volt erzielt werden, doch die Leistungsdichte war noch sehr gering. Die Forscher besannen sich deshalb auf eine japanische Falttechnik (Miura-ori), die auch in Solarmodulen eingesetzt wird, die sich im Weltall entfalten sollen. Die auf diese Weise entstandenen dünnen Hydrogelstapel wiesen eine 40-fach höhere Leistungsdichte als die flachen Bögen auf. Dennoch blieb der Wert zwei bis drei Größenordnungen unter der des elektrischen Organs beim Zitteraal. Die Dicke der Hydrogele zu verringern, brachte eine weitere Verbesserung der Leistungsdichte ein.

Trotz dieser Fortschritte würden die künstlichen elektrischen Organe derzeit nur ausreichen, um Geräte mit der niedrigsten Leistung mit Strom zu versorgen, wie die Gruppe um Mayer einschränkt. "Die elektrischen Organe in Zitteraalen sind unglaublich ausgefeilt, sie können viel besser Energie erzeugen als wir", wird Mayer in einer Mitteilung der University of Michigan (USA) zitiert. Aber die Forscher sind optimistisch, dass weitere Verbesserungen erreicht werden können. Um zu zeigen, was prinzipiell möglich ist, haben sie aus ihren Hydrogelen eine Kontaktlinse hergestellt. Sie soll Energie für in die Linse integrierte Displays und Sensoren liefern, die andere Forscher bereits entwickelt haben.

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