Brennstoffzell-Technik Wie Hühnerfedern unseren Strom grüner machen

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Was bisher Abfall der Lebensmittelindustrie ist, könnte künftig unseren Strom umweltfreundlicher machen: Hühnerfedern aus der Geflügelproduktion. Mit ihnen als Ausgangsstoff hat ein Forscherteam neue Membranen für Brennstoffzellen entwickelt.

In der Lebensmittelindustrie fallen enorme Mengen an Abfällen und Nebenprodukten an, so auch in der Geflügelproduktion. Jährlich werden rund 40 Millionen Tonnen Hühnerfedern verbrannt. Das setzt nicht nur große Mengen an CO₂ frei, sondern auch giftige Gase wie Schwefeldioxid.

Forschende der ETH Zürich und der Technischen Universität in Singapur (NTU) haben nun eine Möglichkeit gefunden, diese Federn sinnvoll zu nutzen. Mithilfe eines einfachen und umweltfreundlichen Verfahrens extrahieren sie das Protein Keratin aus den Federn und wandeln es um in feinste Fasern, so genannte Amyloidfibrillen. Diese Keratinfäserchen werden schließlich in der Membran einer Brennstoffzelle verwendet.

Günstige Membranen aus Industrieabfällen

In herkömmlichen Brennstoffzellen werden für die darin enthaltenen Membranen bislang hochtoxische Chemikalien verwendet, so genannte „Forever Chemicals“. Sie sind teuer und in der Umwelt nicht abbaubar. Die von den ETH- und NTU-Forschenden entwickelte Membran hingegen besteht hauptsächlich aus biologischem Keratin, das umweltverträglich und in großen Mengen verfügbar ist – Hühnerfedern bestehen zu 90 Prozent aus Keratin. Die Membran ist dadurch bereits bei der Herstellung im Labor bis zu dreimal günstiger als herkömmliche Membrane.

„Seit einigen Jahren erforsche ich intensiv verschiedene Möglichkeiten, Lebensmittelabfälle für erneuerbare Energiesysteme zu nutzen“, sagt Raffaele Mezzenga, Professor für Lebensmittel und weiche Materialien an der ETH Zürich. „Mit unserer neuesten Entwicklung schließen wir einen Kreis: Der gleiche Stoff, der beim Verbrennen CO₂ und giftige Gase freisetzt, ersetzt an seiner neuen Wirkungsstätte giftige Stoffe und verhindert auch die Freisetzung von CO2, wodurch wir die CO₂-Bilanz verbessern“, führt der Wissenschaftler aus.

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Bei Elektrolyse mit reinem Wasser nutzbar

Um Wasserstoff als nachhaltige Energiequelle zu etablieren, müssen jedoch noch weitere Herausforderungen bewältigt werden. „Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, nur leider nicht auf der Erde“, sagt Mezzenga. Da Wasserstoff hier nicht in reiner Form vorkommt, muss er unter großem Energieeinsatz hergestellt werden. Auch dabei könnte die neue Membran künftig gute Dienste leisten, denn sie lässt sich nicht nur in Brennstoffzellen einsetzen, sondern auch bei der Wasserspaltung.

Im Prozess der Elektrolyse wird Gleichstrom durch das Wasser geleitet, worauf sich an der hier positiven Anode Sauerstoff bildet, während an der negativ geladenen Kathode Wasserstoff entweicht. Reines Wasser ist für diesen Prozess zu wenig leitfähig und erfordert oft die Zugabe von Säuren. Die neue Membran ist jedoch protonendurchlässig und ermöglicht so die für die Wasserspaltung nötige Teilchenwanderung zwischen Anode und Kathode, selbst in reinem Wasser.

Zum Patent angemeldet

In einem nächsten Schritt werden die Forschenden nun untersuchen, wie stabil und langlebig ihre Keratin-Membran ist und sie allenfalls verbessern. Das Forschungsteam hat bereits gemeinsam ein Patent für die Membran angemeldet und sucht nun nach Investoren oder Firmen, die die Technologie weiterentwickeln und auf den Markt bringen.

Originalpublikation: Soon WL, Peydayesh M, de Wild T, Donat F, Saran R, Müller CR, Gubler L, Mezzenga R, Miserez A: Renewable Energy from Livestock Waste Valorization: Amyloid-Based Feather Keratin Fuel Cells, ACS Appl. Mater. Interfaces, 15, 40, 47049–47057, 26. September 2023; DOI: 10.1021/acsami.3c10218

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