Die lebende Biobatterie, die sich selbst abbaut Mit Pilzen Strom erzeugen

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Pilze kann man essen – oder Strom mit ihnen erzeugen. Forscher aus dem Empa-Labor „Cellulose and Wood Materials“ haben nämlich eine biologisch abbaubare Pilzbatterie entwickelt, die kleine Mengen Strom über den Stoffwechsel von zwei Pilzarten generiert. Anwendung hätte diese spezielle Zelle etwa in Umweltsensoren.

Pilze sind eine Klasse für sich: Näher mit Tieren als mit Pflanzen verwandt, umfasst dieses eigene Reich der Lebewesen eine enorme Vielfalt. Hier findet sich alles vom Speisepilz bis zum Schimmel, vom Einzeller bis zum größten Organismus der Erde, vom krankmachenden Schädling bis zum Superhelden, der Medikamente herstellt. Nun haben Empa-Forschende den Pilzen eine weitere Fähigkeit entlockt: Strom generieren.

In einem dreijährigen Forschungsprojekt haben Forschende des Empa-Labors „Cellulose and Wood Materials“ eine funktionierende Pilzbatterie entwickelt. Allzuviel Strom produzieren die lebenden Zellen zwar nicht – es reicht aber, um damit z. B. einen Temperatursensor über einige Tage zu betreiben. Solche Sensoren mit niedriger Leistung kommen in der Landwirtschaft oder in der Umweltforschung zum Einsatz. Der größte Vorteil der Pilzbatterie: Sie ist ungiftig – anders als herkömmliche Batterien – und darüber hinaus biologisch abbaubar.

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Pilzbatterie aus dem 3D-Drucker

Genau genommen handelt es sich bei der Zelle nicht um eine Batterie, sondern um eine so genannte mikrobielle Brennstoffzelle. Wie alle Lebewesen wandeln Mikroorganismen Nährstoffe in Energie um. Mikrobielle Brennstoffzellen machen sich diesen Stoffwechsel zunutze und greifen einen Teil der Energie als Strom ab. Bisher wurden sie meist mit Bakterien betrieben. Nun haben die Schweizer Wissenschaftler zwei Pilzarten zu einer Art biologischer Batterie verbunden.

Die Stoffwechsel der beiden Pilze in der Brennstoffzelle ergänzen sich: Auf der Anodenseite befindet sich ein Hefepilz, dessen Metabolismus Elektronen freisetzt. Die Kathode ist von einem Weißfäulepilz besiedelt, der Samtigen Tramete. Die Tramete produziert ein besonderes Enzym, das dabei hilft, die Elektronen einzufangen und aus der Zelle zu leiten.

Zum Bau der Batterie werden die Pilze nicht etwa dort „eingepflanzt“, sondern sind von Anfang an ein integraler Bestandteil der Zelle. Die Komponenten der Pilzbatterie werden nämlich mittels 3D-Druck hergestellt. Das erlaubt den Forschenden, die Elektroden so zu strukturieren, dass die Mikroorganismen möglichst einfach an Nährstoffe kommen. Dafür werden die Pilzzellen unter die Drucktinte gemischt. Leichter gesagt als getan. „Es ist anspruchsvoll genug, ein Material zu finden, in dem die Pilze gut wachsen“, sagt Dr. Gustav Nyström, Leiter des „Cellulose and Wood Materials“ Labors. „Die Tinte muss sich dann aber auch gut extrudieren lassen, ohne dass die Pilzzellen dabei sterben – und natürlich sollte sie noch elektrisch leitfähig und biologisch abbaubar sein.“

Wie erzeugen Pilze elektrische Strom für Umweltsensoren? In einem Videoclip erläutern die Forscher der Empa die Funktionsweise und die Vorteile ihrer neuen Pilz-Batterie:

Biologische Elektrotechnik: robust und lagerfähig

Dank der Erfahrung ihres Labors im 3D-Druck von weichen, biobasierten Materialien gelang es den Forschenden, eine passende Tinte auf der Basis von Cellulose herzustellen. Die Pilzzellen können die Cellulose sogar als Nährstoffquelle nutzen und helfen so, die Zelle nach deren Einsatz abzubauen. Ihre bevorzugte „Nahrung“ besteht allerdings aus einfachen Zuckermolekülen, die den Batterien zugesetzt werden. „Man kann die Pilzbatterien in einem getrockneten Zustand aufbewahren und am Einsatzort einfach durch die Zugabe von Wasser und Nährstoffen aktivieren“, sagt die Empa-Forscherin Dr. Carolina Reyes.

Obwohl die robusten Pilze selbst längere Trockenphasen überleben, barg die Arbeit mit den lebenden Materialien einige Herausforderungen für die Forschenden. Das interdisziplinäre Projekt vereint Mikrobiologie, Materialwissenschaft und Elektrotechnik. Um die Pilzbatterien zu charakterisieren, musste sich die gelernte Mikrobiologin Reyes nicht nur Techniken aus der Elektrochemie aneignen, sondern sie auch für die 3D-Drucktinte anpassen.

Nun wollen die Wissenschaftler die Pilzbatterie leistungsfähiger und langlebiger machen – und weitere Pilzarten suchen, die sich als Stromlieferanten eignen. „Gerade im Bereich der Materialwissenschaft sind Pilze noch zu wenig erforscht und genutzt“, betont Reyes.

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Originalpublikation: Carolina Reyes, Erika Fivaz, Zsófia Sajó, Aaron Schneider, Gilberto Siqueira, Javier Ribera, Alexandre Poulin, Francis W. M. R. Schwarze, Gustav Nyström: 3D Printed Cellulose-Based Fungal Battery, ACS Sustainable Chem. Eng. 2024, 12, 43, 16001–16011, October 15, 2024; DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c05494

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