Wie pflanzenmikrobielle Brennstoffzellen funktionieren

Pflanzen wandeln Sonnenlicht in organische Verbindungen um, die, wenn sie von anderem Leben verbraucht werden, die Energie der Sonne an das restliche Nahrungsnetz weitergeben. Als Menschen greifen wir auf diese gespeicherte Energie durch Verdauung und durch Verbrennen von rohen oder verarbeiteten Pflanzen zu. Erdöl ist nur lange tote organische Materie, die durch geologische Kräfte umgewandelt wurde, und Biokraftstoffe der ersten Generation werden aus Mais, Zuckerrohr und Pflanzenöl gewonnen [Quelle: The New York Times ].

Leider ist Erdöl ebenso mit Umwelt- und Sicherheitsproblemen behaftet wie Energie, und Biokraftstoffe der ersten Generation – die durch Verbrennen anderer Kraftstoffe raffiniert werden – bleiben weit hinter der CO2-Neutralität zurück. Schlimmer noch, da die weltweiten Nahrungsmittelpflanzen gegenüber der Biokraftstoffproduktion buchstäblich an Boden verlieren, treibt die zunehmende Knappheit die Lebensmittelpreise, den Hunger und die politische Instabilität in die Höhe [Quelle: The New York Times ].

Aber was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, unseren Reis zu haben und ihn auch zu verbrennen? Was wäre, wenn wir Energie aus Pflanzen gewinnen könnten, ohne sie zu töten, oder Energie aus Pflanzen und Land erzeugen könnten, die nicht für Lebensmittel benötigt werden, alles durch die Kraft von Mikroben? Das ist die Idee hinter pflanzenmikrobiellen Brennstoffzellen ( PMFCs ).

Wenn es darum geht, das Leben zum Laufen zu bringen, bekommen Pflanzen vielleicht die ganze gute Presse, aber es ist die viel geschmähte Mikrobe, die die Nahrungskette zusammenhält. Insbesondere helfen Cyanobakterien, seine Basis zu bilden; Darmmikroben helfen uns, Nahrung daraus zu verdauen; und Bodenbakterien verwandeln den entstehenden Abfall in Nährstoffe, die Pflanzen nutzen können.

Seit Jahrzehnten forschen Forscher nach Möglichkeiten, aus diesem mikrobiellen Stoffwechsel Energie zu gewinnen. In den 1970er Jahren begannen ihre Bemühungen in Form von mikrobiellen Brennstoffzellen ( MFCs ) Früchte zu tragen – Geräte, die Strom direkt aus einer durch Mikroben katalysierten chemischen Reaktion erzeugen [Quelle: Rabaey und Verstraete ]. MFCs bieten erneuerbare, stromsparende Optionen für die Überwachung von Schadstoffen, die Reinigung und Entsalzung von Wasser und die Stromversorgung von entfernten Sensoren und Instrumenten.

Es gibt natürlich einen Haken: MFCs funktionieren nur, solange sie etwas zu essen haben – typischerweise organisches Material im Abwasser [Quellen: Deng, Chen und Zhao ; ONR ]. Die Forscher erkannten, dass sie diesen Abfall – ein endloses, solarbetriebenes Buffet davon – direkt von den Pflanzen selbst an Bodenmikroben liefern konnten, und der Keim für eine Idee war gepflanzt.

Bis 2008 veröffentlichten Forscher Artikel, in denen die ersten dieser pflanzenbetriebenen MFCs angekündigt wurden, und das Potenzial wurde immer deutlicher [Quellen: Deng, Chen und Zhao ; De Schamphelaire et al. ; Striket al. ]. Mit dieser skalierbaren Technologie könnten Dörfer und Farmen in Entwicklungsländern autark werden, während Industrienationen ihren Treibhausgas-Fußabdruck reduzieren könnten, indem sie Strom aus Feuchtgebieten, Gewächshäusern oder Bioraffinerien beziehen [Quellen: Doty ; PflanzenPower ].

Kurz gesagt, PMFCs sind eine neuere, umweltfreundlichere Variante von „Kraftwerken“ – vielleicht.

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Wie sich herausstellt, steckt der Boden voller ungenutzter (elektrischer) Potenziale.

Wenn grüne Pflanzen der Photosynthese nachgehen – Energie aus Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln und sie dann in Zuckern wie Glukose speichern – scheiden sie Abfallprodukte durch ihre Wurzeln in eine Bodenschicht aus, die als Rhizosphäre bekannt ist . Dort fressen Bakterien die abgestoßenen Zellen der Pflanzen zusammen mit Proteinen und Zuckern, die von ihren Wurzeln freigesetzt werden [Quelle: Ingham ].

In PMFC-Begriffen heißt das: Solange die Pflanze lebt, haben die Bakterien einen Essensschein und die Brennstoffzelle erzeugt Strom. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, den manche mit „Es gibt kein kostenloses Mittagessen“ übersetzen, gilt immer noch, weil das System Energie von einer externen Quelle, nämlich der Sonne, erhält.

Aber wie um alles in der Welt oder darunter erzeugen Mikroben Strom , indem sie einfach Nahrung konsumieren und verstoffwechseln? Wie bei der Liebe oder beim Backen kommt es auf die Chemie an.

Im Großen und Ganzen funktionieren MFCs, indem sie zwei Hälften eines elektrobiochemischen Prozesses (Stoffwechsel) trennen und sie zu einem elektrischen Schaltkreis zusammenschalten. Um zu verstehen, wie das geht, schauen wir uns den Zellstoffwechsel im Detail an.

Im folgenden Lehrbuchbeispiel reagieren Glukose und Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser [Quellen: Bennetto ; Rabaey und Verstraete ].

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂ → 6 C _O 2 + 6 H ₂ O

Aber innerhalb einzelner Zellen – oder einzelliger Organismen wie Bakterien – beschönigt diese allgemeine Aussage eine Reihe von Zwischenschritten. Einige dieser Schritte setzen vorübergehend Elektronen frei, die, wie wir alle wissen, praktisch sind, um Strom zu erzeugen. Anstelle von Glucose und Sauerstoff, die zu Kohlendioxid und Wasser reagieren, erzeugen hier Glucose und Wasser Kohlendioxid, Protonen (positiv geladene Wasserstoffionen (H ⁺ )) und Elektronen (e ^- ) [Quellen: Bennetto ; Rabaey und Verstraete ].

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6H ₂ O → 6CO ₂ + 24H ⁺ + 24e ^-

In einer PMFC definiert diese Hälfte des Prozesses eine Hälfte der Brennstoffzelle. Dieser Anteil befindet sich in der Rhizosphäre mit den Pflanzenwurzeln, Abfällen und Bakterien. Die andere Hälfte der Zelle liegt in sauerstoffreichem Wasser auf der gegenüberliegenden Seite einer durchlässigen Membran. In einer natürlichen Umgebung wird diese Membran durch die Boden-Wasser-Grenze gebildet [Quellen: Bennetto ; Rabaey und Verstraete ; Deng, Chen und Zhao ].

In der zweiten Hälfte der Zelle verbinden sich freie Protonen und Elektronen mit Sauerstoff zu Wasser, etwa so:

6O ₂ + 24H ⁺ + 24e ^- → 12H ₂ O

Protonen erreichen diese zweite Hälfte, indem sie über die Ionenaustauschmembran fließen und eine positive Nettoladung erzeugen – und ein elektrisches Potential, das Elektronen veranlasst, entlang des externen Verbindungsdrahts zu fließen. Voila! Elektrischer Strom [Quellen: Bennetto ; Rabaey und Verstraete ; Deng, Chen und Zhao ].

Aber wieviel?

Potenzielle Probleme ausmerzen

Die Bestimmung der Umweltauswirkungen von PMFC erfordert weitere Forschung in einer Vielzahl von Bereichen, einschließlich der Frage, wie Elektroden die Wurzelumgebung beeinflussen. Sie könnten beispielsweise die Nährstoffverfügbarkeit verringern oder die Fähigkeit einer Pflanze, Infektionen abzuwehren, verringern [Quelle: Deng, Chen und Zhao ].

Da sie außerdem in einigen unserer am besten geschützten Gebiete – Feuchtgebieten und Ackerland – am besten funktionieren, könnten PMFCs einem steilen Umweltgenehmigungsprozess gegenüberstehen. Andererseits können Abwasser-MFCs Ammonium oxidieren und Nitrate reduzieren, sodass es möglich ist, dass pflanzliche MFCs das Risiko ausgleichen könnten, indem sie Feuchtgebiete vor landwirtschaftlichem Abfluss schützen [Quellen: Deng, Chen und Zhao ; Müller ; Tweed ].

Ab 2012 produzieren PMFCs nicht viel Energie und funktionieren nur in aquatischen Umgebungen mit Pflanzen wie Schilfrohrgras ( Glyceria maxima ), Reis, gemeinem Cordgras ( Spartina anglica ) und Riesenschilf ( Arundo donax ) [Quellen: Deng, Chen and Zhao ; PflanzenPower ]. Wenn Sie über ein Feld mit PMFCs liefen, wie das Dachpflaster des niederländischen Instituts für Ökologie in Wageningen, würden Sie nie wissen, dass es sich um mehr als eine Ansammlung von Pflanzen handelt, abgesehen von den bunten Drähten, die aus dem Boden herausragen [Quelle: Williams ].

Dennoch inspirieren ihre potenziellen Anwendungen bei der Lösung anderer globaler Nachhaltigkeitsprobleme, einschließlich der Belastung, die Biokraftstoffe für ein bereits überlastetes globales Lebensmittelversorgungssystem darstellen, weiterhin Forscher und mindestens ein Forschungsvorhaben, das 5,23-Millionen-Euro-Projekt PlantPower [Quellen: Deng , Chen und Zhao ; Pflanzenkraft ; Tenenbaum ].

Da PMFCs bereits an Wasserpflanzen wirken, müssen Bauern und Dörfer ihre auf Wasser basierenden Reispflanzen nicht entsorgen, um sie zu implementieren. In größerem Maßstab könnten Gemeinden PMFCs in Feuchtgebieten oder Gebieten mit schlechter Bodenqualität errichten, um Landkonkurrenz zwischen Energie- und Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden [Quelle: Strik et al. ]. Hergestellte Einrichtungen wie Gewächshäuser könnten das ganze Jahr über Energie produzieren, aber die Stromerzeugung auf dem Ackerland würde von der Wachstumssaison abhängen [Quelle: PlantPower ].

Die lokale Erzeugung von mehr Energie könnte die CO2-Emissionen senken, indem die Nachfrage nach Kraftstofftransporten reduziert wird – selbst ein wichtiger Beitrag zu Treibhausgasen. Aber es gibt einen Haken, und zwar einen ziemlich bedeutenden: Selbst wenn PMFCs so effizient wie möglich werden, stehen sie immer noch vor einem Engpass – der photosynthetischen Effizienz und der Abfallproduktion der Pflanze selbst.

Pflanzen sind überraschend ineffizient bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Biomasse. Diese Umwandlungsgrenze ergibt sich teilweise aus Quantenfaktoren, die die Photosynthese beeinflussen, und teilweise aus der Tatsache, dass Chloroplasten nur Licht im Bereich von 400 bis 700 Nanometern absorbieren, was etwa 45 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung ausmacht [Quelle: Miyamoto ].

Die beiden am weitesten verbreiteten Arten von photosynthetisierenden Pflanzen auf der Erde sind als C3 und C4 bekannt, so benannt nach der Anzahl der Kohlenstoffatome in den ersten Molekülen, die sie während des CO ₂ -Abbaus bilden [Quellen: Seegren, Cowcer und Romeo ; SERC ]. Die theoretische Umwandlungsgrenze für C3-Pflanzen, die 95 Prozent der Pflanzen auf der Erde, einschließlich Bäume, ausmachen, liegt bei lediglich 4,6 Prozent, während C4-Pflanzen wie Zuckerrohr und Mais näher an 6 Prozent klettern. In der Praxis erreicht jede dieser Pflanzenarten jedoch in der Regel nur 70 Prozent dieser Werte [Quellen: Deng, Chen und Zhao ; Miyamoto ; SERC ].

With PMFCs, as with any machine, some energy is lost in running the works -- or, in this case, in growing the plant. Of the biomass built by photosynthesis, only 20 percent reaches the rhizosphere, and only 30 percent of that becomes available to microbes as food [source: Deng, Chen and Zhao].

PMFCs recover around 9 percent of the energy from the resulting microbial metabolism as electricity. Altogether, that amounts to a PMFC solar-to-electrical conversion rate approaching 0.017 percent for C3 plants ((70 percent of the 4.6 percent conversion rate) x 20 percent x 30 percent x 9 percent) and 0.022 percent for C4 plants (0.70 x 6.0 x 0.20 x 0.30 x 0.09) [sources: Deng, Chen and Zhao; Miyamoto; SERC].

In fact, some researchers think those assumptions may underestimate the potential of PMFCs, which can only be good news for consumers.

It's Hydromatic

Interest in fuel cells, which enable cars to cover more miles than battery power alone and are more easily implemented in large vehicles, continued to surge as of November 2012 [source: Ko]. But, while hydrogen fuel might seem green-ish, its production requires loads of electricity, which makes it anything but carbon-neutral [source: Wüst]. PMFCs, which naturally produce hydrogen gas, could offer hope for truly green hydrogen fuel production.

Like any new technology, PMFCs face a number of challenges; for instance, they need a substrate that simultaneously favors plant growth and energy transfer -- two goals that are sometimes at odds. Differences in pH between the two cell halves, for example, can bring about loss of electrical potential, as ions "short" across the membrane to achieve chemical balance [source: Helder et al. ].

If engineers can work out the kinks, though, PMFCs could hold both vast and varied potential. It all comes down to how much energy they can produce. According to a 2008 estimate, that magic number comes in at around 21 gigajoules (5,800 kilowatt-hours) per hectare (2.5 acres) each year [source: Strik et al.]. More recent research has estimated that number could go as high 1,000 gigajoules per hectare [source: Strik et al.]. A few more facts for perspective [sources: BP; European Commission]:

Based on these numbers, if 1 percent of U.S. and European farmlands were converted to PMFCs, they would yield a back-of-the-envelope estimate of 34.5 million gigajoules (9.58 billion kilowatt-hours) annually for Europe and 75.6 million gigajoules (20.9 billion kilowatt-hours) annually for America.

By comparison, the 27 European Union countries in 2010 consumed 1,759 million tons of oil equivalent (TOE) in energy, or 74.2 billion gigajoules (20.5 trillion kilowatt-hours). TOE is a standardized unit of international comparison, equal to the energy contained in one ton of petroleum [sources: European Commission; Universcience].

In this simplified scenario, PMFCs provide a drop in a very large energy bucket, but it's a pollution-free drop, and a drop generated from lush landscapes instead of smoke-belching power plants or bird-smashing wind farms .

Moreover, it's just the beginning. Researchers are already working on more efficient waste-gobbling bacteria and, between 2008 and 2012, advances in substrate chemistry more than doubled electrical production in some PMFCs. PlantPower argues that, once perfected, PMFCs could provide as much as 20 percent of Europe's primary energy -- that is, energy derived from untransformed natural resources [source: Øvergaard; PlantPower].

PMFCs must become cheaper and more efficient before they can enjoy wide implementation, but progress is under way. Already, many MFCs save money by manufacturing electrodes from highly conductive carbon cloth rather than precious metals or expensive graphite felt [sources: Deng, Chen and Zhao; Tweed]. As of 2012, it cost $70 to operate a one-cubic-meter setup under laboratory conditions.

When one considers their potential for removing pollutants and for reducing greenhouse gases, who knows? PMFCs could garner enough investor and government interest to become the power plants of the future -- or plant the seed for an even better idea [source: Deng, Chen and Zhao].

Authors Note: How Plant-microbial Fuel Cells Work

If you think about it, building a battery that can run off of bacterial digestive processes brings us one step closer to cyborgs and self-powered machines. The human body relies on gut bacteria to convert food into energy; if we could tap into this process to juice fuel cells, then we might also power bodily implants, such as pacemakers.

Researchers at Harvard Medical School and Massachusetts Institute of Technology have already blurred this line, constructing a brain chip powered by glucose, which it harvests from recirculated cerebrospinal fluid [source: Rapoport, Kedzierski and Sarpeshkar]. Can cyberbrains be far behind? (Well, yes, probably).

Stellen Sie sich vor: Wir könnten Maschinen bauen, die grasen! OK, das klingt vielleicht nicht so sexy wie Strahlenkanonen und Raketenschiffe, aber solche Maschinen könnten auf unbestimmte Zeit im Feld aktiv bleiben, ohne dass sie aufgeladen oder neue Batterien benötigt werden. Eine Ansammlung von MFCs könnte einen provisorischen Darm bilden, der Strom aus Pflanzenglukose zieht.

Sollte jemand diese Idee weiterverfolgen, hoffe ich, dass er PMFCs einsetzen wird. Ich stelle mir Herden von weißen Keramikrobotern vor, die mit Salvia hispanica bedeckt sind, und ich stelle die Frage:

Träumen Androiden von elektrischen Chia Pets?

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