Bio-inspirierte Elektrizitätsquellen könnten in Zukunft tragbare oder implantierbare Elektronik antreiben, die sogar mit Stoffwechselprodukten betrieben werden kann. Dies zeigen die Ergebnisse einer neuen Forschungsarbeit der BioPhysik-Gruppe des Adolphe Merkle-Instituts.

Die Gruppe unter der Leitung von Prof. Michael Mayer hat sich auf Batterien konzentriert, die zum einen Unterschiede in der Salzkonzentration, sogenannte Ionengradienten nutzen, um elektrischen Strom zu erzeugen und zum anderen nachhaltige Methoden zur Erzeugung solcher Unterschiede im Körper sucht. Hierzu dienten stark elektrische Fische als Inspiration. Diese nutzen Gradienten von Ionen innerhalb ihres Körpers, um starke externe elektrische Entladungen zu erzeugen.

Mayers Team hatte zuvor ein künstliches elektrisches Organ entwickelt, das vom Zitteraal inspiriert war und Elektrizität aus Ionengradienten in gestapelten Hydrogelen erzeugte, die mehr als 100 Volt betrug. Die Stromstärke dieser Spannungsquelle war jedoch zu gering, um Standard-Elektronik anzutreiben.

Atlantischer Zitterrochens als Inspiration
Für ihre nächsten Schritte wählten die Forschenden die einzigartige Morphologie des Atlantischen Zitterrochens als Inspiration. Dieser Rochen ist der stärkste bekannte elektrische Fisch und kann Impulse von über 1 kW elektrischer Leistung erzeugen.

Sie entwickelten ein Hybridmaterial aus mit Hydrogelen durchtränktem Papier, um Stapel von dünnen, beliebig grossen Gel-Filmen in Serie und parallel zu erzeugen, zu organisieren und neu zu konfigurieren. Ihre in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlichten Ergebnisse zeigten, dass die gesammelte elektrische Leistung im Vergleich zum ursprünglichen, vom Aal inspirierten Design mehr als 60-mal höher war, was den Betrieb von elektronischen Geräten ermöglicht. Gleichzeitig zeigt dies Arbeit, dass der biologische Mechanismus zur Erzeugung von signifikanter elektrischer Energie mit verträglichen und weichen Materialien in einer tragbaren Grösse möglich ist.

Batterie, die nie eingesteckt werden muss
In einer weiteren Studie haben die Forschenden die Entwicklung eines nachhaltigen Prozesses untersucht, der zum Aufladen einer bio-inspirierten Batterie verwendet werden könnte, wobei ausgeatmetes Kohlendioxid einer Person als Beispiel dient. Wie in der Fachzeitschrift Advanced Science vorgestellt, kann mittels CO2 aus der Atmung ein Ionengradient erzeugt werden, der als Treibstoff für eine Stromquelle genutzt werden kann. Als Konzeptstudie haben die Forschenden einen Prototyp entwickelt, der genügend Energie aus Atem erzeugt, um kleine elektronische Geräte wie z. B. eine Leuchtdiode zu betreiben.

«Bei dieser Arbeit geht es darum, ein Stoffwechselabfallprodukt in Verbindung mit einer auf dem Ionengradienten basierenden Energieerzeugung zu nutzen, um eine tragbare oder implantierbare Energiequelle zu entwickeln, die potenziell unbegrenzt wieder aufgeladen werden kann», erklärt Mayer. «Das ist ein weiterer Schritt in Richtung einer Batterie, die nie eingesteckt werden muss, sich passiv auflädt und auf Ionengradienten anstatt auf chemischen Reaktionen beruht.»

Die fortschreitende Integration von Technologie in lebende Organismen erfordert eine Form von Energiequelle, die biokompatibel und flexibel ist und Energie aus dem Inneren eines biologischen Organismus beziehen kann. Eine selbstaufladende Stromquelle für implantierbare Geräte wie Herzschrittmacher, Sensoren, Medikamentenpumpen oder Prothesen ist eine naheliegende Anwendung. Die Erzeugung von Strom im Körperinneren würde auch die Notwendigkeit von Operationen zum Batteriewechsel beseitigen und könnte auch nachhaltige Energie für tragbare Geräte wie elektrisch aktive Kontaktlinsen mit integriertem Display bereitstellen.

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