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Bionische Stromquelle: Batterie nach dem Zitteraal-Prinzip

Forscher des Adolphe Merkle Instituts der Universität Fribourg haben eine neue Energiequelle entwickelt, die ähnlich funktioniert wie das Elektrizitätsorgan des Zitteraals. Es eignet sich besonders für Herzschrittmacher, Prothesen und Implantate.

Flexibel, transparent und biologisch verträglich: die Stromquelle nach dem Zitteraal-Prinzip Bildquelle: © Universität Fribourg

Flexibel, transparent und biologisch verträglich: die Stromquelle nach dem Zitteraal-Prinzip

Streng genommen ist der Zitteraal gar kein Aal, sondern ein Neuwelt-Messerfisch. Das allein macht ihn aber nicht so interessant für die Forschung. Weitaus spannender ist sein Elektrizitätsorgan, durch das er in der Lage ist, Stromstöße zu erzeugen. Es besteht aus langen feinen Zellen, den Elektrozyten, die in Reihen angeordnet rund 80% der Länge des Tierkörpers abdecken. Jeder Elektrozyt wird vom Nervensystem des Zitteraals kontrolliert und erzeugt eine schwache Spannung, indem er Natriumionen in die Zelle und Kaliumionen aus der Zelle strömen lässt. Je höher die Zahl der in Reihen angeordneten Zellen, umso höher die elektrische Spannung. So kann der Zitteraal bis zu 600 Volt erzeugen.

Forscher vom Adolphe Merkle Institut der Universität Fribourg haben in Zusammenarbeit mit der University of Michigan und der University of San Diego, Kalifornien, eine Energiequelle konzipiert, die auf dem gleichen Prinzip aufbaut. Diese erzeugt Strom, indem sie sich den unterschiedlichen Salzgehalt von Süß- und Salzwasserkammern, die durch ionenselektive Membranen getrennt sind, zu Nutze macht. Werden diese Kammern und Membranen in hundertfachen Wiederholungssequenzen – ein bisschen wie die Batterien in einer Taschenlampe – angeordnet, lässt sich allein mit Salz und Wasser eine Spannung von bis zu 110 Volt erzeugen.

Elektrisches Origami

Jeder Bestandteil der Energiequelle wird anhand eines Hydrogels hergestellt. Dabei handelt es sich um eine fest erscheinende Polymerkapsel, die Wasser enthält und für Salzionen durchlässig ist. Die Bestandteile können mittels eines 3D-Druckers auf transparenten Plastikfolien zusammengesetzt werden. Wie beim Zitteraal besteht die Energiequelle also aus individuellen Kammern geringer Kapazität. Beim Zitteraal löst das Nervensystem den stromerzeugenden Prozess aus. Die Wissenschaftler lösen diese Aufgabe effizienter, indem sie alle gedruckten Zellen gleichzeitig miteinander in Kontakt bringen. Dazu wird die gedruckte Folie mittels einer Technik gefaltet, die ursprünglich für die Stationierung von Solarmodulen im All entwickelt wurde.

Der Zitteraal diente den Forschern als Inspiration und Herausforderung zugleich: Ihr Ziel ist die Entwicklung von selbstaufladenden Stromquellen, die sich in den menschlichen Körper implantieren lassen und somit für Geräte wie Herzschrittmacher, Sensoren, Prothesen oder Medikamentenpumpen verwendet werden können. Die Integration von Technologien in den lebenden Organismus ruft tatsächlich nach einer biokompatiblen und flexiblen Energiequelle, die sich innerhalb des biologischen Systems selbst aufladen kann. Eine solche Stromquelle würde Ersatzoperationen überflüssig machen und könnte auch zur Versorgung von tragbaren Geräten wie Kontaktlinsen mit integriertem Display eingesetzt werden.

Die Kapazitäten des Zitteraals sind allerdings noch unerreicht. »Die Herausforderung besteht darin, die Stoffwechselenergie des Körpers zu nutzen, sei es durch Mobilisierung der Ionendifferenzen in verschiedenen Körperregionen (z.B. Magensaft), sei es durch Umwandlung mechanischer Muskelenergie in elektrische Energie«, erklärt Projektleiter Michael Mayer. Diese würden in der Folge gespeichert und mittels eines künstlichen elektrischen Organs verteilt. (me)