Forschung: Blaualge versorgt Mikrocontroller sechs Monate mit Strom

Ein Forschungsteam hat einen Arm Cortex-M0+ sechs Monate ununterbrochen mit Strom versorgt. Die Algen lieferten sogar bei Dunkelheit Strom.

Artikel veröffentlicht am 16. Mai 2022, 13:50 Uhr, Patrick Klapetz/Johannes Hiltscher

In diesem Gerät ernten die Blaualgen durch Fotosynthese die Energie der Sonne, die elektrischen Strom erzeugt. (Bild: Paolo Bombelli/CC-BY 3.0)

Einem Forschungsteam der Universität Cambridge ist es gelungen, einen Computer ein halbes Jahr lang mit Blaualgen als Energiequelle zu betreiben. Sie verwendeten die ungiftige und weitverbreitete Cyanobakterie Synechocystis sp. PCC 6803 - allgemein als Blaualge bekannt, obwohl sie nicht mehr zu den Algen gezählt werden.

Durch natürliche Fotosynthese gewinnt sie mittels Sonneneinstrahlung Energie. Die Forscher haben die Blaualge dafür in einen kleinen Behälter - mit 61mm Höhe und 31x23mm Grundfläche kaum größer als eine AA-Batterie - aus Aluminium und durchsichtigem Kunststoff eingeschlossen. "Unser fotosynthetisches Gerät entlädt sich nicht wie eine Batterie, da es kontinuierlich Licht als Energiequelle nutzt", erklärt Christopher Howe vom Fachbereich Biochemie der Universität Cambridge. Er ist einer der Hauptautoren der Studie.

Durch die Sonneneinstrahlung und die daraus resultierende Fotosynthese entsteht ein geringer Strom. Um diesen zu nutzen, ließ das Team um den Erstautor der Studie, Paolo Bombelli, die Blaualgen auf einem Geflecht aus dünnen Aluminiumdrähten wachsen. Das Geflecht wurde seitlich an einem Gehäuse aus Acrylglas befestigt und bildete die Anode. Umgeben war es von einer Nährlösung, in der die Blaualgen gediehen. Dieser Aufbau konnte den Mikrocomputer sechs Monate lange ohne Unterbrechung betreiben.

Auch im Dunkeln erzeugt die Zelle Strom

Überraschenderweise wurde die Stromversorgung bei Dunkelheit nicht unterbrochen. Laut dem Forschungsteam könnte es daran liegen, dass die Blaualgen einen Teil ihrer Nahrung auch ohne Lichtzufuhr verarbeiten; allerdings nehme die Intensität ab. Die Forscher hatten damit selbst nicht gerechnet. Bombelli war sicher, dass es "nach ein paar Wochen aufhören würde, aber es lief einfach weiter."

Das Experiment wurde gemeinsam mit dem britischen Mikroprozessor-Entwickler Arm durchgeführt. Er lieferte einen Cortex-M0+ Testchip samt Board und richtete eine Cloud-Schnittstelle zur Datenerfassung ein. Der speziell angefertigte Chip benötigt lediglich 0,3V zum Betrieb, die minimal benötigte Leistung ist mit 0,3μW angegeben (PDF). Wesentlich mehr als die benötigten 0,3V erzeugte der Aufbau nicht - die Messungen zeigen Spannungen zwischen 0,4 und 1V.

Viel Energie liefert die Fotosynthese der Algen nicht - bei Beleuchtung wurden maximal 0,36μW pro Quadratzentimeter beleuchteter Fläche gemessen (PDF), in der Dunkelperiode immerhin noch 0,2μWcm^-2. Bei einer beleuchteten Fläche von 10,2cm² erzeugte der Aufbau entsprechend knapp 2 bis 3,5μW - der Cortex-M0+ benötigt bei sparsamster Implementierung 3μW pro MHz.

Die ersten Experimente mit dem Aufbau waren reine Laborversuche. Um herauszufinden, ob tatsächlich ein nutzbarer Strom entsteht, wurden mit weißer LED-Beleuchtung Hell-Dunkel-Zyklen simuliert. Für den finalen, oben abgebildeten Versuchsaufbau wurden natürliche Bedingungen nachgestellt. Das kleine Experiment wurde in einer häuslichen Umgebung im Freien unter natürlichem Licht durchgeführt. Damit war das Experiment Temperaturschwankungen ausgesetzt. Lediglich wenn die Wissenschaftler es den Blaualgen zu ungemütlich machten - in einem Versuch kühlten sie den Reaktor auf wenige Grad ab - stellten diese die Arbeit ein.

Veröffentlichung der Studie

Die Erkenntnisse und Daten aus den ersten Experimenten und sechs Monaten kontinuierlicher Stromerzeugung hat das Forschungsteam bei der Zeitschrift Energy & Environmental Science zur Veröffentlichung eingereicht. Laut Howe könnte diese Technik die Energieversorgung der Zukunft sichern: "Das wachsende Internet der Dinge benötigt immer mehr Energie, und wir glauben, dass diese von Systemen kommen muss, die Energie erzeugen können, anstatt sie einfach wie Batterien zu speichern."

Ob Smartwatches oder Temperatursensoren in Kraftwerken: Das Forschungsteam vermutet, dass die Anzahl der Geräte bis 2035 die Billionen erreichen wird. Lithium-Ionen-Akkus sind ihrer Einschätzung nach für deren Energieversorgung ungeeignet - für ihre Herstellung würde dreimal mehr Lithium benötigt, als jährlich weltweit produziert wird. Die Umweltbelastung käme noch hinzu.

Das Experiment aus Cambridge kann eine Lösung bieten. Zumindest hat das Team andere Arten gefunden, die mehr Strom produzieren könnten. Wenn es nach ihnen geht, kann die Technik für den kommerziellen Markt in fünf Jahren bereitstehen. Durch seine Unabhängigkeit und den kompakten Aufbau ist das Fotosynthesekraftwerk interessant für Geräte, die lange an entlegenen Orten stationiert sind, beispielsweise Sensorknoten.