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15.12.2017

Bionische Stromquelle ahmt natürliches elektrisches Organ nach und könnte in Zukunft Sensoren oder gar implantierte Herzschrittmacher antreiben

Mit Spannungspulsen von bis zu 800 Volt tötet der Zitteraal (Electrophorus electricus) seine Beute und verteidigt sich gegen Räuber. Sein elektrisches Organ besteht aus tausenden winzigen Elementen, den Elektrozyten. Diese natürliche Stromquelle ahmten nun Wissenschaftler aus der Schweiz und den USA nach. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, konnten sie mit ersten Prototypen elektrische Spannungen von bis zu 110 Volt erzeugen. Aufgebaut aus einem weichen, flexiblen Kunststoff planen die Forscher, ihr Prinzip eines Zitteraal-Kraftwerks für Stromquellen zum Betrieb von Sensoren, Implantaten oder gar Herzschrittmacher zu nutzen.

Die Strom erzeugenden Elektrozyten bauten nun Wissenschaftler mit einem 3D-Druckverfahren nach. Auf einer rollbaren und transparenten Kunststoffschicht druckten sie knapp 2500 Noppen aus einem weichen, flexiblen Hydrogel. Jede dieser symmetrisch angeordneten Noppen in Form eine Halbkugel hatte einen Durchmesser von etwa drei Millimetern. Immer abwechselnd war in den Hydrogel-Noppen mal sehr viel, mal fast gar kein Kochsalz – Natriumchlorid - gelöst. Folglich wechselten sich Noppen mit hohen und niedrigen Konzentrationen an Natrium- und Chloridionen ab.

War die Noppenfolie flach ausgelegt, berührten sich die einzelnen Noppen nicht, kein Stromfluss entstand. Nun legten die Forscher darauf eine zweite Noppenfolie genau so, dass sich immer abwechselnd Noppen mit hohen und geringem Salzanteil berührten. Durch die Kontaktflächen konnten nun die enthaltenen Ionen wandern und so einen Stromfluss erzeugen. In der Summe aller in Reihe angeordneten Noppen ließ sich über eine angeschlossene Elektrode ein Strom mit 110 Volt Spannung mit einer Leistung von 27 Milliwatt pro Quadratmeter messen.

In einem weiteren Prototyp ihrer Zitteraal-Stromquelle nutzte man die japanische Origami-Falttechnik. Entfaltet erzeugte dieses Modul keinen Strom. Zusammengefaltet berührten sich abwechselnd die Noppen mit den unterschiedlichen Salzkonzentrationen und wieder entstand ein Stromfluss. Heute reicht die Stromausbeute aus, um einzelne Leuchtdioden zu betreiben. Mit einer optimierten Anordnung von noch mehr und vielleicht auch kleineren Noppen könnten weiche Minikraftwerke entstehen, die genug Strom für implantierte Sensoren, Insulinpumpen oder Herzschrittmacher liefern sollen.