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Die eLa­trine kommt – Plumps­klos zu Kraft­wer­ken!

Als der bri­ti­sche Päd­agoge H. P. Ben­netto 1990 in der Fach­zeit­schrift Bio­tech­no­logy Edu­ca­tion seine Schul­ex­pe­ri­mente mit mikro­bi­el­len Brenn­stoff­zel­len vor­stellte, setzte er damit eine Ent­wick­lung in Gang, die bis heute ihre Dyna­mik ent­fal­tet.

Brenn­stoff­zel­len keh­ren die Elek­tro­lyse um und erzeu­gen Strom aus einem kon­ti­nu­ier­lich zuge­führ­ten Brenn­stoff und einem Oxi­da­ti­ons­mit­tel. Dass die­ser Brenn­stoff auch von leben­den Orga­nis­men zuge­führt wer­den kann, zeigte M. C. Pot­ter im Jahre 1911. Unter anae­ro­ben Bedin­gun­gen, d. h. bei Abwe­sen­heit von Sau­er­stoff gibt es über­schüs­sige Elek­tro­nen, deren sich die Mikro­or­ga­nis­men ent­le­di­gen müs­sen, auch unter Ver­lust eines Teils des Ener­gie­ge­winns aus der Sub­strat-Oxi­da­tion. Die dabei erziel­ten Strom­aus­beu­ten waren gering, der Elek­tro­nen­trans­fer aus Mikro­or­ga­nis­men blieb ein aka­de­mi­sches For­schungs­ge­biet.

Schul­ver­su­che zei­gen Fehl­stel­len der For­schungs­pla­nung

Bis 1990, als enga­gierte Leh­rer und Schü­ler began­nen, Ben­net­tos Ver­su­che nach­zu­bauen. Vor allem im eng­lisch­spra­chi­gen Raum hielt man sich eng an die vor­ge­ge­bene Ver­suchs­an­ord­nung mit Anode, Kathode und der PEM (Pro­ton Exch­ange Mem­brane), die Anoden- und Katho­den­raum trennt. Im Anoden­raum befin­den sich Mikro­or­ga­nis­men, die orga­ni­sche Sub­strate unter anae­ro­ben Bedin­gun­gen oxi­die­ren. Das Sub­strat wird durch die Bak­te­rien abge­baut, die dabei frei­ge­setz­ten Elek­tro­nen wer­den zur Anode über­tra­gen (siehe Abbil­dung oben).

Unter natür­li­chen Bedin­gun­gen fin­den Mikro­or­ga­nis­men Wege, um ihre Elek­tro­nen an die Umge­bung abzu­ge­ben, etwa durch selbst pro­du­zierte Media­tor-Sub­stan­zen oder durch die Aus­bil­dung elek­tri­sch lei­ten­der Här­chen (Nano­drähte). Unter den Modell­be­din­gun­gen des Schul­ver­suchs würde es viel zu lange dau­ern, bis die Mikro­or­ga­nis­men ihre eige­nen Media­to­ren oder Nano­drähte aus­ge­bil­det hät­ten. Ben­netto und seine Schü­ler set­zen künst­li­che Media­to­ren ein – gerne orga­ni­sche Salze, die durch ihre Fär­be­re­ak­tion auch gleich ihren Ladungs­zu­stand anzei­gen. In Öster­reich nutzte der Schü­ler Ralf Jagen­teu­fel ab 2008 die dor­tige Hoch­be­gab­ten-För­de­rung, um eine wis­sen­schaft­li­chen Anfor­de­run­gen genü­gende Arbeit über Mikro­bi­elle Brenn­stoff­zel­len zu ver­fas­sen, deren Ver­su­che im deutsch­spra­chi­gen Raum flei­ßig nach­ge­baut wur­den.

Make Mad Scientist’s Play­things!

In den USA und Kanada schwappte der­weil die DIY-Bewe­gung (Do It Your­self) durch die Lande und das wach­sende Inter­net. Man suche ein­mal nach „MFC“ (Micro­bial Fuel Cell) auf ein­schlä­gi­gen Sei­ten wie „instructables.com“. Eine Viel­zahl phan­ta­sie­vol­ler und lus­ti­ger Dinge wird erschei­nen, die gerne häus­li­che Abwäs­ser und Schlämme als Sub­strat nut­zen. Die PEM-Mem­brane wird oft­mals ein­ge­spart, über­haupt gilt dort die Parole „Make Mad Scientist’s Play­things!“

Eine wis­sen­schaft­li­che Eva­lua­tion schien drin­gend erfor­der­lich, aber anglo­ame­ri­ka­ni­sche Wis­sen­schaft­ler sind wohl zu sehr Snobs. In der mit­tel­ost­deut­schen Pro­vinz hat mitt­ler­weile die „Gene­ra­tion Ben­netto“ die Insti­tute und Labors erreicht, aber im Mer­kel­land ist die intrans­pa­rente und fil­zo­kra­ti­sche For­schungs­mit­tel-Ver­gabe das Pro­blem. Doch die „Bill & Melinda Gates Foun­da­tion“ för­derte groß­zü­gig, was auch Umwelt-For­schungs­zen­trum Leip­zig, Bio­masse-For­schungs­zen­trum Leip­zig und TU Braun­schweig mit ins Boot hüp­fen ließ. Nun lie­gen erste Ergeb­nisse vor, im Jour­nal of The Elec­tro­che­mi­cal Society erschien: „eLa­trine: Les­sons Lear­ned from the Deve­lop­ment of a Low-Tech MFC Based on Card­board Elec­tro­des for the Tre­at­ment of Human Feces„.

Klo­häus­chen drin­gend gesucht

Die Wis­sen­schaft­ler haben wich­tige Bestand­teile eines DIY-Toi­let­ten­häus­chens mit inte­grier­ter Mikro­bi­el­ler Brenn­stoff­zelle unter­sucht. Das Klo­häus­chen selbst wurde dabei nicht geför­dert. Um nun ihren Kot nicht von zu Hause mit­brin­gen zu müs­sen, fan­den sie die Leip­zi­ger Firma Öko­lo­cus GmbH als Spon­sor einer ent­spre­chen­den Loka­li­tät. Die Elek­tro­den aus unter Luft­ab­schluss ver­kohl­ter Well­pappe waren von ihrer Leis­tung her unschlag­bar. Auch die vor­her ange­zwei­felte Urin­be­hand­lung der Katho­den stei­gerte die Elek­tro­nen-Aus­beute erheb­lich. Um die ästhe­ti­sche Her­aus­for­de­rung in Gren­zen zu hal­ten, arbei­tete man mit künst­lich ange­misch­tem Urin. Dadurch konnte auch gleich noch die kata­ly­ti­sche Wirk­sam­keit der drei Bestand­teile natür­li­chen Urins ver­gli­chen wer­den (Harn­stoff, Krea­ti­nin und Harn­säure).

Das Pro­blem der Zer­set­zung von Dräh­ten im kor­ro­si­ven Medium konnte nur durch den Ein­satz von Platin­dräh­ten gelöst wer­den, die unter Armuts­be­din­gun­gen gerne mal gestoh­len wer­den. Wei­tere Lang­zeit-Ver­su­che wer­den fol­gen. Auch die Eig­nung der eLa­trine für Power-to-Gas-Lösun­gen als MEC (Micro­bial Elec­tro­ly­sis Cell) soll unter­sucht wer­den, wobei über­schüs­si­ger Strom aus Solar- und/oder Wind­kraft ins braune Medium gelei­tet wird und dort Methan frei­setzt – wozu frei­lich zusätz­li­che Reak­ti­ons­räume not­wen­dig wer­den. Ins­ge­samt ein fas­zi­nie­ren­des For­schungs­ge­biet, das ent­schei­dend für die Ener­gie­lö­sun­gen der Zukunft wer­den könnte.

Ben­netto, H. P.; Electri­city gene­ra­tion by micro­or­ga­nisms. Bio­tech­no­logy Edu­ca­tion Vol.1, No 4, pp. 163-168, 1990.

Der Schü­ler Jagen­teu­fel

Öko­lo­cus GmbH

MFC’s in Instructables.com

Jörg Kretz­sch­mar, Sebas­tian Riedl, Robert Keith Brown, Uwe Schrö­der und Falk Har­ni­sch. eLa­trine: Les­sons Lear­ned from the Deve­lop­ment of a Low-Tech MFC Based on Card­board Elec­tro­des for the Tre­at­ment of Human Feces. Jour­nal of The Elec­tro­che­mi­cal Society, 164 (3) H3065-H3072 (2017)

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