Formwandler-Chemikalie ist der Schlüssel zu einer neuen Solarbatterie.

Einige Bakterien haben eine Superkraft, die Wissenschaftler gerne nutzen würden. Diese Mikroben fangen Energie aus dem Licht ein, genau wie Pflanzen. Wissenschaftler wollten diese Bakterien nutzen, um Strom zu erzeugen. Aber in früheren Forschungen haben sie auf künstlichen Oberflächen nicht lange überlebt. Forscher haben sie nun an eine lebendige Oberfläche gebracht – einen Pilz. Ihre Entstehung ist der erste Pilz, der Strom erzeugt.

Erklärer: Was ist 3-D-Druck?
Sudeep Joshi ist ein angewandter Physiker. Er arbeitet am Stevens Institute of Technology in Hoboken, N.J. Er und seine Kollegen haben diesen Pilz – einen Pilz – in eine Mini-Energiefarm umgewandelt. Dieser bionische Pilz kombiniert 3-D-Druck, leitfähige Tinte und Bakterien zur Stromerzeugung. Sein Design könnte zu neuen Möglichkeiten führen, Natur und Elektronik zu verbinden.

Cyanobakterien (manchmal auch Blaualgen genannt) stellen aus Sonnenlicht ihre eigene Nahrung her. Wie Pflanzen tun sie dies durch Photosynthese – ein Prozess, der Wassermoleküle spaltet und Elektronen freisetzt. Die Bakterien spucken viele dieser Streuelektronen aus. Wenn sich an einer Stelle genügend Elektronen aufbauen, können sie einen elektrischen Strom erzeugen.

Die Forscher mussten viele dieser Bakterien verklumpen lassen. Sie entschieden sich für den 3-D-Druck, um sie präzise auf eine Oberfläche zu bringen. Joshi’s Team wählte Pilze für diese Oberfläche aus. Schließlich stellten sie fest, dass Pilze auf natürliche Weise Gemeinschaften von Bakterien und anderen Mikroben beherbergen. Es war einfach, Testpersonen für ihre Tests zu finden. Joshi ging einfach in den Lebensmittelladen und holte weiße Champignons ab.

Das Drucken auf diese Pilze stellte sich jedoch als echte Herausforderung heraus. 3-D-Drucker wurden für den Druck auf ebenen Flächen entwickelt. Pilzkappen sind gebogen. Die Forscher verbrachten Monate damit, Computercode zu schreiben, um das Problem zu lösen. Schließlich entwickelten sie ein Programm, um ihre Tinte in 3D auf die gebogenen Pilzspitzen zu drucken.

ein mikroskopisches Bild von Blaualgen unter einem Grünfilter
Diese Cyanobakterien nutzen die Photosynthese, um aus Sonnenlicht Lebensmittel herzustellen. Sie werden manchmal als blaugrüne Algen bezeichnet.
Josef Reischig/Wikimedia Commons (CC BY SA 3.0)
Die Forscher druckten zwei “Tinten” auf ihre Pilze. Eine davon war eine grüne Tinte aus Cyanobakterien. Sie benutzten dies, um ein Spiralmuster auf der Kappe zu erstellen. Sie benutzten auch eine schwarze Tinte aus Graphen. Graphen ist eine dünne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die hervorragend Strom leitet. Sie druckten diese Tinte in einem verzweigten Muster über die Pilzspitze.

Dann war es an der Zeit zu glänzen.

“Cyanobakterien sind hier die wahren Helden”, sagt Joshi. Als sein Team die Pilze erleuchtete, spucken die Mikroben Elektronen aus. Diese Elektronen strömten in das Graphen und erzeugten einen elektrischen Strom.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 7. November 2018 in Nano Letters.

Aktuelles Denken
Experimente wie diese nennt man “Proof of Concept”. Sie bestätigen, dass eine Idee möglich ist. Die Forscher zeigten, dass ihre Idee funktioniert, auch wenn sie noch nicht praxistauglich ist. Um auch nur so viel zu erreichen, brauchte es ein paar clevere Innovationen. Die erste war, die Mikroben dazu zu bringen, zu akzeptieren, dass sie auf einem Pilz untergebracht werden. Eine zweite große Sache: herauszufinden, wie man sie auf eine gebogene Oberfläche druckt.

Bis heute hat Joshis Gruppe einen Strom von etwa 70 Nanonampere erzeugt. Das ist klein. Wirklich klein. Es ist etwa ein 7-Millionstel des Stroms, der benötigt wird, um eine 60-Watt-Glühbirne zu betreiben. Es ist also klar, dass bionische Pilze unsere Elektronik nicht sofort mit Strom versorgen werden.

Dennoch, sagt Joshi, zeigen die Ergebnisse das Versprechen, Lebewesen (wie Bakterien und Pilze) mit nicht lebenden Materialien (wie Graphen) zu kombinieren.

Bemerkenswert ist, dass die Forscher die Mikroben und Pilze überzeugt haben, für kurze Zeit zusammenzuarbeiten, sagt Marin Sawa. Sie ist Chemieingenieurin am Imperial College London in England. Obwohl sie mit Cyanobakterien arbeitet, war sie nicht Teil der neuen Studie.

Die Kopplung zweier Lebensformen ist ein spannendes Forschungsgebiet in der grünen Elektronik, sagt sie. Mit grün bezieht sie sich auf eine umweltfreundliche Technologie, die die Abfallmenge begrenzt.

Die Forscher druckten Cyanobakterien auf zwei weitere Oberflächen: tote Pilze und Silikon. In jedem Fall starben die Mikroben innerhalb von etwa einem Tag aus. Sie überlebten mehr als doppelt so lange von den lebenden Pilzen. Für Joshi ist das lange Leben der Mikroben auf dem lebenden Pilz ein Beweis für die Symbiose. Dann koexistieren zwei Organismen in einer Weise, die mindestens einem von ihnen hilft.

Aber Sawa ist sich da nicht so sicher. Um als Symbiose bezeichnet zu werden, sagt sie, dass die Pilze und Bakterien viel länger zusammenleben müssten – mindestens eine Woche.

Wie auch immer du es nennst, Joshi will, dass es sich lohnt, es zu optimieren. Er glaubt, dass dieses System stark verbessert werden kann. Er hat Ideen von anderen Forschern gesammelt. Einige haben vorgeschlagen, mit verschiedenen Pilzen zu arbeiten. Andere haben geraten, die Gene der Cyanobakterien so zu optimieren, dass sie mehr Elektronen bilden.

“Die Natur gibt dir viel Inspiration”, sagt Joshi. Gleichteile können zusammenwirken, um überraschende Ergebnisse zu erzielen. Pilze und Cyanobakterien wachsen an vielen Stellen, und selbst Graphen ist nur Kohlenstoff, stellt er fest. “Du beobachtest