Neue Biosolarzelle für das Internet der Dinge entwickelt

Ein Forscherteam der Universität Birmingham hat eine neue Biosolarzelle entwickelt, mit der kleine und stromsparende Geräte im Internet der Dinge betrieben werden könnten. Im Moment könnte die Zelle für etwa vier Tage Strom liefern. Ein großer Fortschritt im Vergleich zu ähnlichen Biobrennstoffzellen, die bisher nur wenige Stunden halten.

Die neue Biosolarzelle misst 3,5 x 2,5 Zentimeter und erzeugt Strom über zwei verschiedene Arten von Bakterien, die in einer symbiotischen Beziehung zueinander stehen. Die eine Bakterie ist photosynthetisch und wandelt mit Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser in Nährstoffe um. Das andere Bakterium konsumiert diese „Nahrung“ und liefert die Energie für die Zelle über die so genannte Stoffwechselatmung. In einem ersten Versuchsaufbau sind zwei Bio-Solarzellen auf einem einzigen Chip integriert und in Reihe geschaltet, wodurch kontinuierlich Strom erzeugt wird.

Nach Angaben des Teams ermöglicht die Bauweise eine vielseitige Gerätekonfiguration in einem kleinen Umfang ohne ein umständliches Zuführsystem für Flüssigkeiten und erlaubt eine einfache Integration und Betrieb. Das Gerät ist mit einer gasdurchlässigen Polydimethylsiloxan (PDMS)-Membran versiegelt, um den Gasaustausch mit den Bakterien und kathodische Reaktionen zu erleichtern, wobei im Idealfall sogar das Nachfüllen von Bakteriengasen aus Umgebungen zur selbsttragenden Energiegewinnung möglich ist.

Um die Betriebsspannung von (~500 mV) auf eine maximale Ausgangsspannung von >3V zu erhöhen, ist in einer ersten Demonstration (Foto oben) eine DC-DC-Booster-Schaltung in die gestapelten Bio-Solarzellen integriert, die eine On-Chip-Leuchtdiode (LED) mit Strom versorgt.

Die Forscher gehen davon aus, dass die neue Biosolarzelle das Potenzial für das „Internet der Wegwerf-Dinge“ (Internet of Disposable Things (IoDT)) hat. Sie glauben, dass die neue Zelle in der Lage sein wird, kurzlebige Produkte mit Hilfe von Radiofrequenz-Sensoren aus biologisch abbaubarem Papier und Kunststoff zu verbinden. Wenn sie weiter optimiert wird, könnte sie längerfristige Anwendungen von IoT-Sensoren im Umweltbereich vorantreiben.

Die Ergebnisse der Studie werden in der Ausgabe Juni 2020 der Zeitschrift Nano Energy veröffentlicht.