Forschung -

Bakterien könnten ein fehlendes Glied in der Energiespeicherung sein

Eines der großen Themen bei nachhaltigen Energiesystemen ist die Speicherung von Elektrizität, die aus Wind, Sonne und Wellen gewonnen wird.

Derzeit gibt es keine Technologie, die eine groß angelegte Speicherung und Energieabgabe für die nachhaltige Energie zu niedrigen finanziellen und ökologischen Kosten ermöglicht.

Spezielle elektroaktive Mikroben könnten Teil der Lösung sein; diese Mikroben sind in der Lage, ein Elektron aus Sonnen- oder Windenergie zu "leihen", um mit dieser Energie Kohlendioxidmoleküle in der Luft aufzubrechen.

Aus den Kohlenstoffatomen können die Mikroben dann Biokraftstoffe, wie Isobutanol oder Propanol, herstellen, die in einem Generator verbrannt oder sich beispielsweise dem Benzin zusetzen lassen.

"Wir glauben, dass die Biologie eine wichtige Rolle bei der Schaffung einer nachhaltigen Energieinfrastruktur spielt", sagte Buz Barstow, Assistant Professor für Bio- und Umwelttechnik an der Cornell University.

"Einige Rollen werden Nebenrollen sein und andere Hauptrollen. Wir versuchen, all die Orte zu finden, an denen die Biologie arbeiten kann."

Barstow ist Senior-Autor des Forschungsberichtes "Electrical Energy Storage With Engineered Biological Systems", der im "Journal of Biological Engineering" veröffentlicht wurde.

Das Hinzufügen elektrisch entwickelter (synthetischer oder nicht-biologischer) Elemente könnte diesen Ansatz noch produktiver und effizienter machen als Mikroben allein.

Gleichzeitig schafft die Vielzahl der Optionen auch zu viele technische Optionen. Die Studie liefert Informationen, um das beste Design nach Bedarf zu ermitteln.

"Wir schlagen einen neuen Ansatz vor, bei dem wir biologische und nicht-biologische Elektrochemie zusammenfügen, um eine neue Methode zur Energiespeicherung zu entwickeln", sagte Farshid Salimijazi, Absolvent im Labor von Barstow und Erstautor des Forschungsberichtes.

Die natürliche Fotosynthese bietet bereits ein Beispiel dafür, wie Sonnenenergie in großem Umfang gespeichert und in einem geschlossenen Kohlenstoffkreislauf in Biokraftstoffe umgewandelt werden kann.

Sie fängt etwa sechsmal so viel Sonnenenergie in einem Jahr ein, wie die gesamte Zivilisation über die gleiche Zeit verbraucht. Aber die Fotosynthese ist bei der Gewinnung von Sonnenlicht wirklich ineffizient und absorbiert weniger als ein Prozent der Energie, die auf die Fotosynthesezellen trifft.

Elektroaktive Mikroben bieten uns die Möglichkeit, die biologische Lichternte durch die Fotovoltaik zu ersetzen. Diese Mikroben können Elektrizität in ihren Stoffwechsel aufnehmen und diese Energie nutzen, um CO2 in Biokraftstoffe umzuwandeln. Der Ansatz verspricht viel, um Biokraftstoffe mit höherer Effizienz herzustellen.

Elektroaktive Mikroben ermöglichen auch die Verwendung anderer Arten von erneuerbarer Elektrizität, nicht nur von Solarenergie, um diese Umwandlungen zu betreiben.

Außerdem können einige Mikrobenarten Biokunststoffe erzeugen, die sich vergraben lassen, wodurch Kohlendioxid (ein Treibhausgas) aus der Luft entfernt und im Boden abgesondert wird.

Bakterien könnten so modifiziert werden, dass der Prozess umgekehrt wird, indem ein Biokunststoff oder Biokraftstoff wieder in Elektrizität umgewandelt wird. Diese Wechselwirkungen können alle bei Raumtemperatur und -druck auftreten, was für die Effizienz besonders wichtig ist.

Die Autoren weisen darauf hin, dass nichtbiologische Methoden zur Nutzung von Elektrizität für die Kohlenstoffbindung (Assimilation von Kohlenstoff aus CO2 in organische Verbindungen, wie Biokraftstoffe) beginnen, die Fähigkeiten von Mikroben zu erreichen und sogar zu übertreffen.

Elektrochemische Technologien sind jedoch nicht gut darin, komplexe Molekülarten zu erzeugen, die für Biokraftstoffe und Polymere notwendig sind. Modifizierte elektroaktive Mikroben könnten entworfen werden, um diese einfachen Moleküle in viel komplexere umzuwandeln.

Kombinationen von künstlich hergestellten Mikroben und elektrochemischen Systemen könnten die Effizienz der Fotosynthese bei Weitem übersteigen. Aus diesen Gründen bietet ein Design, das die beiden Systeme vereint, nach Ansicht der Autoren die vielversprechendste Lösung zur Energiespeicherung.

Der Forschungsbericht enthält Leistungsdaten zu biologischen und elektrochemischen Designs für die Kohlenstoffbindung. Die aktuelle Studie ist "das erste Mal, dass jemand an einem Ort alle Daten gesammelt hat, die man benötigt, um einen Effizienzvergleich all dieser verschiedenen Arten der Kohlenstoffbindung durchzuführen", sagte Barstow.

In Zukunft wollen die Forscher mit den von ihnen gesammelten Daten alle möglichen Kombinationen von elektrochemischen und biologischen Komponenten testen und aus so vielen Möglichkeiten die besten Kombinationen herausfinden.

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