Strom aus Schweiß zum Schlüssel für die nächste tragbare Technologie machen?

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der der Smartwatch an Ihrem Handgelenk nie die Energie ausgeht, weil sie Ihren Schweiß nutzt, um sich selbst mit Strom zu versorgen.

Es klingt wie Science-Fiction, aber Forscher haben herausgefunden, wie man einen bakteriellen Biofilm konstruiert, um kontinuierlich Strom aus Schweiß zu erzeugen.

Sie können Energie aus der Verdunstung gewinnen und in Elektrizität umwandeln, was tragbare elektronische Geräte von persönlichen medizinischen Sensoren bis hin zur Elektronik revolutionieren könnte.

Die Wissenschaft ist in a neue Studie veröffentlicht in Naturkommunikation.

„Der limitierende Faktor tragbarer Elektronik war schon immer die Stromversorgung“, sagt Seniorautor Jun Yoa, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der University of Massachusetts Amherst (UMass) in den USA. „Akkus sind leer und müssen gewechselt oder aufgeladen werden. Sie sind auch sperrig, schwer und unbequem.“

Aber die Oberfläche unserer Haut ist ständig feucht von Schweiß, daher könnte ein kleiner, dünner, klarer und flexibler Biofilm, der wie ein Pflaster getragen wird, eine viel bequemere Alternative darstellen.

Der Biofilm besteht aus einer etwa 40 Mikrometer dicken Schicht aus Bakterienzellen, was etwa der Dicke eines Blattes Papier entspricht. Es besteht aus einer gentechnisch veränderten Version des Bakteriums Geobacter sulfurreducens um genau zu sein.

G. sulfurreducens ist ein bekannter Mikroorganismus Strom produzieren und wurde zuvor in „mikrobielle Brennstoffzellen“. Diese erfordern, dass die Bakterien leben, was eine angemessene Pflege und ständige Fütterung erfordert, aber dieser neue Biofilm kann kontinuierlich arbeiten, da die Bakterien bereits tot sind.

„Es ist viel effizienter“, sagt Seniorautor Derek Lovley, angesehener Professor für Mikrobiologie an der UMass Amherst. „Wir haben den Prozess der Stromerzeugung vereinfacht, indem wir den erforderlichen Verarbeitungsaufwand radikal reduziert haben.

„Wir züchten die Zellen nachhaltig in einem Biofilm und verwenden dann diese Ansammlung von Zellen. Das reduziert den Energieaufwand, macht alles einfacher und erweitert die Anwendungsmöglichkeiten.“

Der Prozess beruht auf der verdunstungsbasierten Stromerzeugung – der Hydrovoltaischer Effekt. Der Wasserfluss wird durch Verdunstung zwischen dem festen Biofilm und dem flüssigen Wasser angetrieben, was den Transport elektrischer Ladungen zur Erzeugung eines elektrischen Stroms antreibt.

Ein integriertes Gerätearray versorgt einen kleinen LCD-Bildschirm mit Strom. Quelle: Liu et al., 0,1038/s41467-022-32105-6

G. sulfurreducens Kolonien werden in dünnen Matten gezüchtet, die geerntet werden und in die dann mit einem Laser kleine Schaltkreise geätzt werden. Dann werden sie zwischen Netzelektroden gelegt und schließlich in einem weichen, klebrigen, atmungsaktiven Polymer versiegelt, das ohne Reizung direkt auf die Haut aufgetragen werden kann.

Zunächst testeten die Forscher es, indem sie das Gerät direkt auf eine Wasseroberfläche stellten, die kontinuierlich etwa 0,45 Volt Strom erzeugte. Wenn es auf verschwitzter Haut getragen wurde, erzeugte es 18 Stunden lang Strom, und selbst nicht schwitzende Haut erzeugte eine beträchtliche elektrische Leistung – was darauf hindeutet, dass die kontinuierliche geringe Feuchtigkeitssekretion von der Haut ausreicht, um den Effekt anzutreiben.

„Unser nächster Schritt besteht darin, die Größe unserer Filme zu erhöhen, um anspruchsvollere, auf der Haut tragbare Elektronik zu betreiben“, schließt Yao.

Mit diesem Biofilm will das Team eines Tages nicht nur einzelne Geräte, sondern ganze elektronische Systeme mit Strom versorgen können. Und da Mikroorganismen mit erneuerbaren Rohstoffen in Massenproduktion hergestellt werden können, ist dies eine aufregende Alternative zur Herstellung erneuerbarer Materialien für mit sauberer Energie betriebene Geräte.


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