Energie einfach aus der Luft – endlich!

Kein Scherz, kein bullshit: Wissenschaftler haben ein Enzym entdeckt, mit dessen Hilfe bestimmte Bakterien durch „Luftatmung“ Elektrizität erzeugen. Andere Wissenschaftler ziehen den Strom erfolgreich aus der überall verfügbaren Luftfeuchtigkeit. Und eine deutsche Forscherin manipuliert Bakterien so, dass sie Wasserstoff generieren.

Utopisten wie William Morris [1] träumten davon, dass eines Tages saubere Energie ohne großen Aufwand überall verfügbar sein könnte. 2023 ist es soweit: Wir wissen jetzt, wie es gehen kann.

1. Huc: Super-Brennstoffzelle im Miniaturformat

Entscheidend für die erste Lösung ist der Fakt, dass unsere Atemluft zu 0,00005% molekularen Wasserstoff H2 enthält [2]. Es handelt sich um die Reste der Ur-Atmosphäre, die vor etwa 4,5 Milliarden Jahren ganz überwiegend aus Wasserstoff und Helium bestand und die in der Zwischenzeit fast vollständig in den Weltraum entwichen ist [3]. Auch Bodenbakterien entziehen der Atmosphäre ständig die vorhandenen Wasserstoff-Spuren. Schade eigentlich, denn die übrig gebliebenen Wasserstoffanteile sind viel zu gering, um damit ab 2024 unsere Gasheizungen zu betreiben. Sie reichen den Bakterien der Art Mycobacterium smegmatis aber für ihren Stoffwechsel. Und das kann der Mensch nutzen.

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Der Huc-Komplex von Mycobacterium smegmatis funktioniert auch, wenn Sauerstoff in der Nähe ist. Dafür sorgt die neu entdeckte Komponente HucM (hier: beige).

Die Bakterie lebt an un­wirt­lichen, kargen Orten wie Vulkan­kratern, der Tief­see, der Ant­arktis oder im mensch­lichen Genital­bereich – lange fragten sich Forscher, wovon eigent­lich. Gemeinsam fand eine Forscher­gruppe um Dr. Rhys Grinter und Prof. Chris Greening von der Monash Uni­ver­sity Melbourne (Australien) nun ein Enzym namens Huc, das den Wasser­stoff auch in aller­gering­sten Mengen außer­gewöhnlich effizient und stabil in elek­trische Energie umwandelt – quasi eine Super-Brenn­stoff­zelle im Miniatur­format [4]. Dem „Wunder-Ei­weiß“ reichen sogar Wasser­stoff­spuren weit unter­halb der atmos­phärischen Kon­zen­tration zum Über­leben aus. Dieses Enzym scheint ein wahrer All­rounder zu sein, denn es über­steht das Ein­frieren genau­so wie eine Back­ofen­hitze von 80° Celsius. Es kann in ge­reinig­tem Zustand lange auf­bewahrt werden und zer­fällt nicht. Als Nahrung braucht die Bakterie nur etwas Hefe­extrakt (ein Neben­produkt des Bier­brauens) und Speise­salz (Natrium­chlorid) [5].

Bakterien, die Huc enthalten, kommen in der Natur häufig vor. Daher sind die Forscher optimistisch, in naher Zukunft Huc in großen Mengen züchten zu können [6]. Die Möglichkeiten erscheinen fantastisch. Am Ende könnten Huc-Geräte in selbstladenden Akkus zusammengefasst werden, ist die Forschergruppe überzeugt. Möglich erscheinen den Forschern „luftbetriebene“ Geräte, die ihren Strom direkt aus einer „Huc-Einheit“ beziehen könnten. Die Forschenden hoffen, dass Huc herkömmliche Batterien ersetzen wird. Theoretisch wäre es möglich, mit den Enzym-Einheiten tragbare Geräte wie Laptops und Mobiltelefone zu betreiben. Auch am Körper getragene oder implantierte medizinische Überwachungsgeräte könnten mit einem auf Huc basierenden System versorgt werden [7]. „Sobald wir Huc in ausreichender Menge produziert haben, sind der Erzeugung sauberer Energie buchstäblich keine Grenzen gesetzt“, sagt Dr. Grinter [8]. Sogar E-Autos könnte man irgendwann mit Huc betreiben [9].

Man stelle sich vor: Keine Ladestationen, keine Solarpanels, keine Windräder, keine hässlichen Überlandleitungen, keine Dunkelflauten. Ein großer Teil der in den letzten Jahren mit großem Aufwand gebauten Fernleitungs-Infrastruktur würde wieder überflüssig. Strom „entsteht“ dezentral immer genau dort, wo er gebraucht wird. Er muss nur „akkumuliert“ werden. Ein Szenario, dass an die Vorstellungen des Erfinders Karl Hans Janke erinnert, der 40 Jahre in der psychiatrischen Klinik Hubertusburg bei Wermsdorf eingesperrt war (➥ Karl Hans Janke: Erfinden wie im Wahn). Das „Huc-Team“ holt sich den Wasserstoff wie ein Energiesauger entweder selbst aus der Luft oder wir blasen zusätzlich einen leichten Gas-Hauch über den Akku und den Rest macht das davon erfreute Eiweiß. Wenn man Huc gar mit wasserstoff-erzeugenden Bakterien wie der Blaualge kombinieren könnte, hätte man einen skalierbaren Prozess zur Elektrizitätserzeugung geschaffen (siehe 3. Bakterien produzieren Wasserstoff).

Natürlich bremst das Forschungsteam die Erwartungen an allzu schnelle Lösungen. Noch handelt es sich „nur“ um Grundlagenforschung. Das Hauptziel sei erstmal, die Huc-Produktion zu steigern, sagte Rhys Grinter im März 2023. So bleibt die starke Hoffnung, dass sich Unternehmen weltweit mit großem Interesse auf Huc stürzen und uns sehr bald mit Alltagslösungen erfreuen werden – und nicht erst in 30 Jahren.

Huc-Anwendungen hätten neben den geschilderten Vorteilen noch andere Vorzüge. Wenn wir unsere Wirtschaft tatsächlich generell auf Wasserstoff umstellen, entweicht mit Sicherheit hier und da ungewollt auch H2 in die Atmosphäre. Dieses sehr leichte Gas steigt dann in die Stratosphäre auf (ca. 10 – 50 km Höhe) und wird dort chemisch in Wasserdampf umgewandelt. Wasserdampf aber ist das wichtigste Treibhausgas [10] – das durch den Umstieg auf die Wasserstoff-Wirtschaft erhoffte Bremsen des Klimawandels könnte sich verzögern oder womöglich ganz ausbleiben. Huc in großem Maßstab könnte dagegen dafür sorgen, dass entfleuchter Wasserstoff aus der Atmosphäre gefiltert und direkt nutzbringend in Strom gewandelt wird: Zwei Fliegen mit einer Klappe.

2. Air-gen: Strom aus Luftfeuchte

Fast noch genialer sind die Forschungsergebnisse der Gruppe um Jun Yao von der University of Massachusetts in Amherst. Danach lässt sich elektrische Energie aus der Atmosphäre „ernten“, indem man mehr oder minder feuchte Luft über feinporiges Material bläst. Sind die Poren des Materials kleiner als die mittlere freie Wegstrecke, die einem Wassermolekül in der Luft für die Eigenbewegung zur Verfügung steht, stoßen Wassermoleküle eher mit dem Porenmaterial zusammen als mit anderen Luftmolekülen. Die Poren des Materials dürfen folglich nicht weiter sein als 100 Nanometer [11], um den Spannungseffekt zu erzielen.

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Air-gen „fischt“ Elektrizität aus der Luft, die sich sonst in der Natur im Gewitter entlädt.

Dann entsteht durch den Zusammenstoß an der Oberfläche des Materials eine positive Ladung, an der Unterseite nicht. Dieses Ladungsgefälle kann zur Stromerzeugung genutzt werden [12]. Diesen sogenannten „Generic Air-Gen Effect“ hatten die Wissenschaftler um Yao laut einer Publikation im Fachmagazin Nature im Prinzip bereits im Jahr 2020 entdeckt [13]. Doch seit Mai 2023 wissen sie auch, wie man es praktisch umsetzt.

Das Forschungsteam experimentierte mit verschiedenen Materialen, darunter Zellulose-Nanofasern, Seidenfaserproteinen, Graphenoxid-Flocken und dem Kunststoff Pedot. Die höchste Spannung erzeugte ein Biofilm von Geobacter sulfurreducens, nämlich 550 Nanovolt (Milliardstel Volt). Das erscheint zunächst sehr wenig; wenn man aber zahlreiche Schichten übereinanderstapelt, könnte ein Würfel mit einem Meter Kantenlänge mehrere KW pro Stunde erzeugen. Solch ein Würfel wäre sicher auch nicht hässlicher als die Wärmepumpen-Ventilatoren, die nun allerorts vor den Häusern aufgestellt werden oder Monumente aus rostendem Eisen, die angeblich Kunst darstellen.

Jun Yao: „Dies ist außerordentlich aufregend. Wir eröffnen eine breite Palette an Möglichkeiten, um saubere elektrische Energie quasi aus dem Nichts zu gewinnen.“ Letztlich handelt es sich um das Erzeugen einer kleinskalierten Wolke, der die Elektrizität kontinuierlich entnommen werden kann, statt sich wie in der Natur als Blitz zu entladen. Es ist eine neue Energiequelle, die solange Strom liefert, wie es Luftfeuchtigkeit gibt – und das rund um die Uhr – sogar in Innenräumen [14]. Luftfeuchtigkeit gibt es auf der Erde eigentlich immer – selbst in den trockendsten Gegenden wie der Atacama-Wüste [15] ist diese nicht gleich Null.

Entscheidend ist, ob es gelingt, die Protein-Nanodrähte des Geobacter in großen Mengen herzustellen. Der Mikrobiologe Derek Lovley hat 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“. Die Forscher setzen zunächst auf die Stromversorgung kleinerer und mobiler Geräte wie Gesundheits- und Fitnessmonitore, Uhren und Mobiltelefone. Das Ziel sind aber auch hier größere Systeme. Was (heutzutage noch) verrückt anmutende Ideen nicht ausschließt: Die Technologie könnte in Wandfarbe integriert werden, um Häuser mit Strom zu versorgen.

3. Bakterien produzieren Wasserstoff

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Das Bild zeigt Nostoc – eine Gattung von Cyanobakterien, die kugelige oder hautartige Kolonien aus langen, unverzweigten Zellschnüren in einer gelatinösen Hülle bilden.

Wer immer noch zukunftsskeptisch bleibt, den überzeugt vielleicht das vom deutschen Bundes­for­schungs­mini­sterium (BFM) geförderte Projekt der Professorin Kirstin Gutekunst (Universität Kassel). Die Forscherin verwendet Cyano­bakterien – auch Blau­algen genannt – um mittels Sonnen­energie, Wasser und einiger Nähr­stoffe Wasserstoff zu produzieren. Die einfachen Mikro­organismen können als Vorläufer der Chloro­plasten (des Blattgrüns) gelten und benötigen zum Wachstum nur sehr wenig Energie und Ressourcen [16].

Zugleich „fressen“ die Mikroorganismen das Treibhausgas CO2 und entziehen es der Atmosphäre. Insofern ist die Technologie dreifach klimafreundlich [17]: Zur Energiegewinnung werden keine fossilen Quellen verwendet, es entstehen keine giftigen oder lästigen Abgase und stattdessen negative CO2-Emissionen [18]. Nachteil dieser Methode ist, dass die Cyanobakterien während der Dunkelphasen sozusagen „schlafen“, also wie bei Photovoltaik Sonneneinstrahlung zur Energieerzeugung notwendig ist. Der von den ewigen Skeptikern gebetsmühlenartig ins Feld geführte Albtraum einer Dunkelflaute wird jedoch neutralisiert, wenn man Wasserstoff auf Vorrat produziert, und H2 eignet sich sehr gut zur Energiespeicherung.

Der Arbeitsgruppe gelang es zwischen 2020 und 2022, die H2-Ausbeute um ein Vielfaches zu steigern. Denn die Cyano-Bakterien setzen Wasserstoff eigentlich nur in einer „Übergangsphase“ des Stoffwechsels frei, wenn die Glukose-Produktion „noch nicht richtig funktioniert“ [19], um ihn anschließend selbst zu verbrauchen. Diese Übergangsphase von ca. einer Minute zwischen Licht-aus und Licht-an galt es zu verlängern. Dazu wurden Bakterien-Mutanten erzeugt, bei denen das Wasserstoff-erzeugende Enzym direkter an die Photosynthese gekoppelt ist [20]. Die Mutanten können den freigesetzten Wasserstoff außerdem nicht mehr selbst verbrauchen, sie werden sozusagen in Dauer-Hungerstress gehalten. Weitere Manipulationen an der Hydrogenase und den Bakterien sind geplant, mit denen am Ende eine permanente Wasserstoff-Produktion ermöglicht werden soll. Im Moment reagieren die Zellen noch empfindlich auf Sauerstoff – Wasserstoff produzieren sie nur in anaerober Umgebung. Am Ende wünscht sich die Forscherin einen effizienten Bakterienstamm, der Wasserstoff freisetzt, ohne diese Empfindlichkeit und ohne dabei zu verhungern [21].

Inzwischen wird schon über technische Anlagen nachgedacht, die mit den Bakterien Wasserstoff in größeren Mengen produzieren. Zugleich wird gemeinsam mit dem Team um Marc Nowaczyk und Wolfgang Schuhmann von der Universität Bochum weitergeforscht: Gibt es möglicherweise einen Weg, das entscheidende Enzym Hydrogenase mit dem Photosynthese-System auch außerhalb der lebenden Algen zu nutzen? Oder könnte man bei der Photosynthese frei werdende Elektronen direkt in Strom umsetzen, wie es Nachwuchsforscher Bin Lai am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig in einem ebenfalls vom BFM geförderten Projekt versucht? Dieses biohybride System nennt sich Bio-Photovoltaik; Lai stellt sich Systeme für den dezentralen Einsatz vor, um die Sonnenenergie maximal zu nutzen und weniger Energie durch den Stromtransport zu verlieren.

In jedem Fall zeigen die neuesten Forschungen viele Wege zur umweltfreundlichen Energieversorgung der Zukunft, ohne CO2-Ausstoß. Unsere heutigen Debatten über Netzentgelte, Heizungsgesetz oder Verbrenner-Aus werden schon der nächsten Generation absurd vorkommen. Sie wird fragen, warum in diese Richtungen nicht schon 40 Jahre früher geforscht worden ist. Und warum vielversprechende Forschungsergebnisse nicht viel schneller in nützliche Alltagsprodukte umgesetzt wurden.

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Literatur & Medien

(Podcast) hessen-schafft-wissen.de: Mit Cyano-Bakterien zu Grünem Wasserstoff? Podcast vom 7.12.2022.

Fußnoten

[1] Morris war u.a. Begründer der Arts & Crafts-Bewegung. Sein Zukunftsroman „Kunde von Nirgendwo“ zeichnet die utopische Vision einer sozialistischen Gesellschaft, die marxistische Ideen mit Romantik verbindet. In starkem Kontrast zu dem urbanen England des 19. Jahrhunderts existiert in dieser agrarisch geprägten Gesellschaft weder ein Geld- noch ein Klassen- und Ausbeutungssystem oder Privateigentum. Die Menschen leben im Einklang mit der Natur und finden Freude und Erfüllung in der Arbeit, der sie ohne Zwang nachgehen. Transportmittel und Maschinen werden von einer geheimnisvollen Energie angetrieben, die der Autor nicht näher erklärt – wikipedia.org: Kunde von Nirgendwo

[2] dwd.de: Spurengase. 500 ppb – wie hier angegeben – sind exakt 0,00005 Prozent. 

[3] wikipedia.org: Entwicklung der Erdatmosphäre

[4] nature.com: Structural basis for bacterial energy extraction from atmospheric hydrogen

[5] ournarratives.net: ‚Natural Battery Enzyme‘ Discovered by Dr. Rhys Grinter’s Research Team Can Turn Air into Electricity

[6] mdr.de: Neue Energiequelle – Enzym wandelt Wasserstoffmoleküle in Elektrizität um

[7] derstandard.de: Enzym-Akku soll Strom aus Luft erzeugen und Batterien ersetzen

[8] lens.monash.edu: The enzyme that could help make energy dreams come true

[9] ournarratives.net: ‚Natural Battery Enzyme‘ Discovered by Dr. Rhys Grinter’s Research Team Can Turn Air into Electricity

[10] eskp.de: Wasserstoff: ein geeigneter umweltfreundlicher Energieträger? 

[11] forschung-und-wissen.de: Nachhaltige Energiequelle – Materialien mit Nanoporen „ernten“ Strom aus der Luft

[12] n-tv.de: Lässt sich überall umsetzen – Forscher erzeugen Energie mit feuchter Luft

[13] nature.com: Power generation from ambient humidity using protein nanowires

[14] chemie.de: Neue grüne Technologie erzeugt Strom „aus dem Nichts“. Stromgewinnung aus Luftfeuchtigkeit mit Hilfe von Protein-Nanodrähten. 

[15] tripspi.com: Atacama-Wüste: Alles über die trockenste Wüste der Welt

[16] wikipedia.org: Cyanobakterien

[17] bmbf.de: Wasserstoff aus Bakterien und Sonnenlicht, nature.com: Cyanobacterial in vivo solar hydrogen production using a photosystem I–hydrogenase (PsaD-HoxYH) fusion complex

[18] (Podcast). Dies ist natürlich eleganter: CO2 quasi im Vorübergehen in einem Prozess zur Energiegewinnung zu eliminieren, statt das Klimagas in Gestein zu pressen (Carbfix, „Direct Air Capture“, DAC) oder eigens Geräte zur Beseitigung des Kohlendioxids aus der Atmosphäre zu fördern ➥ Klimakrise? Her mit dem ECO Saver ™! 

[19] Gutekunst in (Podcast), 6:08 min. 

[20] (Podcast), 11:50 min. 

[21] (Podcast), 17:00 min. 

Beitragsbild: Person, Birne, Glühbirne, © geralt via pixabay, 2023.

Verwendung des PICR-Logos mit freundlicher Genehmigung durch PICR, 19.05.2024.

16236.1  © nature.com, Rhys Grinter et.al., CC BY 4.0. Bearbeitet von Mirke (Ausschnitt), 06.08.2023. „This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons Licence, and indicate if changes were made“.  

16236.2  © Rhys Grinter c/o Monash University, mit freundlicher Genehmigung, 16.08.2023. Bearbeitet von  Mirke (Ausschnitt), 06.08.2023.  

16236.3  © David Mark via Pixabay. Bearbeitet von Mirke, 11.08.2023.  

16236.4  © Jun Yao, mit freundlicher Genehmigung, 24.08.2023.  

16236.5  The original uploader was Gibon at Czech Wikipedia. Copyrighted free use, via Wikimedia Commons, 11.08.23.  

16236.6  © Gutekunst, bearb. v. Mirke, 2023. Mit freundlicher Genehmigung, 21.08.23.  

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