Herkömmliche Batterien enthalten giftige und leicht entflammbare Chemikalien und haben eine limitierte Lebensdauer. Nachhaltig ist das nicht. Wie schön wäre es, wenn alle Geräte einfach mit der Erde geladen werden könnten. Ein Forschungsteam der Northwestern University in Evanston, Illinois, hat nun genau so eine utopische Batterie erfunden.
Das gesamte System ist etwa so groß wie ein Taschenbuch und wird einfach in den Boden gesteckt. So könnte es eine nachhaltige, erneuerbare Alternative zu Batterien werden. Doch schon jetzt kann es für die Landwirtschaft einen Nutzen haben. Der Grund ist die Sensorik.
So funktioniert die Erdbatterie
Die sogenannten mikrobiellen Brennstoffzellen (MFC) gibt es schon seit 1911. Sie funktionieren fast wie eine normale Batterie: Auch die MFCs haben eine Anode, eine Kathode und Elektrolyte zum Transport des Stroms. Statt die elektrische Energie aus chemischen Quellen zu beziehen, sorgen aber Bakterien für den Strom. Diese geben auf natürliche Weise die Elektronen an die nahe gelegene Leitung ab. Dafür wird nur der im Boden vorhandene Kohlenstoff verbraucht.
Die Forscher:innen liefern einen Designaufbau der Batterie gleich mit. (Foto: Bill Yen / Northwestern University)
„Obwohl MFCs als Konzept seit mehr als einem Jahrhundert existieren, haben ihre unzuverlässige Leistung und ihre geringe Ausgangsleistung die Bemühungen um eine praktische Nutzung verhindert, insbesondere bei geringer Feuchtigkeit“, sagt der Forschungsleiter Bill Yen, der gerade an der Stanford-Universität an seinem Doktortitel arbeitet.
Design ist für fast jeden Boden geeignet
Um den Zellen einen kontinuierlichen Zugang zu Sauerstoff und Wasser zu ermöglichen, braucht das Forschungsteam das richtige Design. Erfolg brachte eine Patronenform, die vertikal auf einer horizontalen Scheibe sitzt. Der untere Teil ist tief genug eingegraben, um auf die Feuchtigkeit aus dem tiefen Boden zuzugreifen.
Der obere Teil schließt bündig mit der Oberfläche ab und versorgt die Batterie mit Sauerstoff über einen Frischluftspalt. Eine Schutzkappe auf der Oberseite soll das Eintreten von Schmutz verhindern. Damit die MFC auch bei Überschwemmung funktioniert, ist ein Teil der Kathode mit einem wasserabweisenden Material beschichtet. So kann dieser Teil weiterhin auf Sauerstoff zugreifen.
Erster Use-Case ist schon mitgetestet
Einen Anwendungsfall haben die Forscher:innen direkt mitgeliefert. Sie nutzten den Strom, um den Gehalt an Feuchtigkeit, Nährstoffen und Schadstoffen im Boden zu messen. Im Durchschnitt erzeugte die MFC-Batterie etwa 68-mal mehr Strom, als für den Betrieb der eingebauten Sensorik und die Datenübertragung erforderlich war. So kann das System in der Landwirtschaft im Rahmen einer Strategie zur Verbesserung der Ernteerträge eingesetzt werden.
Besonders hierbei müssen Landwirt:innen bislang immer wieder Batterien austauschen oder die Solarpanels säubern. Die Forschung des Teams aus den USA ist eine nachhaltige Alternative. „Solange es im Boden organischen Kohlenstoff gibt, den die Mikroben abbauen können, kann die MFC-Batterie potenziell ewig halten“, sagt Yen.
Das Verrückte ist: Alle Komponenten für die bodenbasierte MFC sind laut dem Forschungsteam im Baumarkt erhältlich. Mithilfe der Studie könnte jede Person die Batterie selbst nachbauen. Auch eine komplett biologisch abbaubare Batterie derselben Art ist in Planung. Beide Konzepte umgehen komplizierte Lieferketten und vermeiden die Verwendung von Konfliktmineralien.
Ob und wie die MFC-Batterie außerdem noch eingesetzt werden kann, ist noch unklar. Ein Tesla lässt sich mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit so nicht betreiben. Für Gartentools könnte das Gerät jedoch sehr praktisch sein.
