19.02.2020 - University of Massachusetts Amherst

Neue grüne Technologie erzeugt Strom "aus dem Nichts"

Stromgewinnung aus Luftfeuchtigkeit mit Hilfe von Protein-Nanodrähten

Wissenschaftler an der Universität von Massachusetts Amherst haben ein Gerät entwickelt, das ein natürliches Protein zur Erzeugung von Elektrizität aus der Luftfeuchtigkeit verwendet. Diese neue Technologie könnte ihrer Meinung nach erhebliche Auswirkungen auf die Zukunft der erneuerbaren Energien, den Klimawandel und die Zukunft der Medizin haben.

Wie in Nature berichtet, haben die Laboratorien des Elektroingenieurs Jun Yao und des Mikrobiologen Derek Lovley von UMass Amherst ein Gerät geschaffen, das sie "Air-gen" oder luftbetriebenen Generator nennen, mit elektrisch leitenden Protein-Nanodrähten, die von der Mikrobe Geobacter produziert werden. Das Air-Gen verbindet Elektroden mit den Protein-Nanodrähten so, dass aus dem natürlich in der Atmosphäre vorhandenen Wasserdampf elektrischer Strom erzeugt wird.

"Wir machen Strom buchstäblich aus der Luft", sagt Yao. "Die Air-Gen erzeugt rund um die Uhr saubere Energie". Lovely, der über drei Jahrzehnte nachhaltige biologisch basierte elektronische Materialien entwickelt hat, fügt hinzu: "Es ist die bisher erstaunlichste und aufregendste Anwendung von Protein-Nanodrähten".

Die in Yaos Labor entwickelte neue Technologie ist umweltfreundlich, erneuerbar und kostengünstig. Sie kann selbst in Gebieten mit extrem niedriger Luftfeuchtigkeit wie der Sahara Strom erzeugen. Sie hat erhebliche Vorteile gegenüber anderen Formen erneuerbarer Energie, einschließlich Sonne und Wind, sagt Lovley, denn im Gegensatz zu diesen anderen erneuerbaren Energiequellen benötigt der Air-Gen weder Sonnenlicht noch Wind, und "er funktioniert sogar in Innenräumen".

Das Air-Gen-Gerät benötigt nur eine dünne Schicht von Protein-Nanodrähten mit einer Dicke von weniger als 10 Mikrometern, erklären die Forscher. Die Unterseite des Films ruht auf einer Elektrode, während eine kleinere Elektrode, die nur einen Teil des Nanodraht-Films bedeckt, auf der Oberseite sitzt. Der Film adsorbiert Wasserdampf aus der Atmosphäre. Eine Kombination aus der elektrischen Leitfähigkeit und der Oberflächenchemie der Protein-Nanodrähte, gekoppelt mit den feinen Poren zwischen den Nanodrähten innerhalb des Films, stellt die Bedingungen her, die einen elektrischen Strom zwischen den beiden Elektroden erzeugen.

Die Forscher sagen, dass die aktuelle Generation von Air-Gen-Geräten in der Lage ist, kleine Elektronik zu betreiben, und sie erwarten, dass die Erfindung bald in den kommerziellen Maßstab gebracht wird. Als nächste Schritte planen sie die Entwicklung eines kleinen Air-Gen-"Patches", der elektronische Geräte wie Gesundheits- und Fitnessmonitore und intelligente Uhren mit Strom versorgen kann, wodurch die Notwendigkeit traditioneller Batterien entfallen würde. Sie hoffen auch, dass die Air-gens für Mobiltelefone entwickelt werden, um das periodische Aufladen zu eliminieren.

Yao sagt: "Das ultimative Ziel ist die Herstellung von Großsystemen. Die Technologie könnte zum Beispiel in Wandfarbe integriert werden, die Ihnen helfen könnte, Ihr Haus mit Strom zu versorgen. Oder wir entwickeln eigenständige luftbetriebene Generatoren, die Strom aus dem Netz liefern. Wenn wir erst einmal den industriellen Maßstab für die Drahtproduktion erreicht haben, gehe ich davon aus, dass wir große Systeme herstellen können, die einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung leisten werden.

Um die praktischen biologischen Fähigkeiten von Geobacter weiter voranzutreiben, hat Lovleys Labor kürzlich einen neuen Mikrobenstamm entwickelt, mit dem sich Proteinnanodrähte schneller und kostengünstiger in Massenproduktion herstellen lassen. "Wir haben E. coli in eine Fabrik für Protein-Nanodrähte verwandelt", sagt er. "Mit diesem neuen skalierbaren Verfahren wird die Versorgung mit Protein-Nanodrähten kein Engpass mehr für die Entwicklung dieser Anwendungen sein.

Die Entdeckung der Air-Gen-Generation spiegelt eine ungewöhnliche interdisziplinäre Zusammenarbeit wider, heißt es. Lovley entdeckte die Geobacter-Mikrobe im Schlamm des Potomac-Flusses vor mehr als 30 Jahren. Sein Labor entdeckte später seine Fähigkeit, elektrisch leitende Protein-Nanodrähte herzustellen. Bevor er zu UMass Amherst kam, hatte Yao jahrelang an der Harvard-Universität gearbeitet, wo er elektronische Geräte mit Silizium-Nanodrähten konstruierte. Sie schlossen sich zusammen, um zu sehen, ob mit den aus Geobacter gewonnenen Protein-Nanodrähten nützliche elektronische Geräte hergestellt werden können.

Xiaomeng Liu, ein Doktorand in Yaos Labor, entwickelte gerade Sensorgeräte, als er etwas Unerwartetes bemerkte. Er erinnert sich: "Ich habe gesehen, dass die Geräte einen Strom erzeugten, wenn die Nanodrähte mit Elektroden auf eine bestimmte Art und Weise kontaktiert wurden. Ich stellte fest, dass die Exposition gegenüber Luftfeuchtigkeit wesentlich war und dass die Protein-Nanodrähte Wasser adsorbierten und einen Spannungsgradienten über das Gerät erzeugten.

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