TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Bakterielle Systeme (II)

Für Roboter mit selbständiger Energiegewinnung wird von Prof. Stuart Wilkinson an der University of South Florida in Tampa im Jahr 1998 der Begriff Gastrobot geprägt, was wörtlich ,Roboter mit Magen’ bedeutet. Er meint damit „eine intelligente Maschine, die sich ihren gesamten Energiebedarf aus der Verdauung von richtigem Essen beschafft“, und zwar in Form von Kohlenhydraten, Lipiden oder auch Alkohol, wobei üblicherweise eine Mischung aus Kohlenhydraten und Protein verwendet wird. Die Nahrung wird dann durch eine mikrobielle Brennstoffzelle in Gase und andere potentielle Energieformen umgewandelt.

Im Jahr 2000 stellt Wilkinson, dessen Arbeit von der Firma Tampa Electric Co. (später: TECO Energy) finanziert wird, eine Umsetzung vor, die aus drei Wagen besteht und im Kern eine MFC mit E. coli Bakterien besitzt, die mit Zucker gefüttert werden. Die einzigen Nebenprodukte der Energieerzeugung sind Wasser und CO₂.

Aus dem 1 m langen Roboter Chew Chew, der wie eine Spielzeugeisenbahn aussieht, sollen später einmal autonome Rasenmäher entstehen, die sich mittels der Verdauung des Schnittguts, das sie schneiden, selbst betreiben – oder auch kleinere Versionen, die in Regenrinnen leben und sich ihre Betriebsenergie dadurch beschaffen, daß sie die sonst verstopfenden Blätter fressen.

Obwohl Fleisch einen höheren Heizwert hat als Vegetation, konzentriert sich Wilkinson laut eigener Aussage auf Pflanzen, da ein Fleisch fressender Roboter erst einmal wesentlich mehr Energie aufwenden müßte, um seine Nahrung zu locken, zu fangen und zu töten. Später scheint das Projekt aufgegeben worden zu sein, auch die Homepage ist seit 2006 eingefroren.

Im Jahr 1999 präsentieren Wissenschaftler um Ian Kelly an der University of the West of England (UWE) in Bristol einen Prototypen namens SlugBot, der durch Gemüsebeete fahren, mit seiner Kamera Schnecken aufspüren, diese mit einem 1,8 m langen Greifarm mit drei ,Fingern’ in seinen Tank befördern und daraus Energie gewinnen soll. Um nicht auch andere Lebewesen zu erwischen, werden die Bilder der Videokamera mit einer speziellen Erkennungssoftware geprüft, bevor der Greifarm die Nacktschnecken mit einer maximalen Geschwindigkeit von 10 Exemplare pro Minute packt.

Zwar wird der SlugBot noch von Akkus angetrieben, doch das Ziel der Entwickler ist, daß der Schneckenvernichtungsroboter selbständig zur Aufladestation zurückkehrt, wenn der Behälter voll ist oder die Batterien zur Neige gehen. Dort werden die Schnecken in eine Fermentierungskammer gefüllt, in der Bakterien sie zu Biogas verarbeiten, das wiederum die Energie für einen Generator liefert, der die Batterien des Roboters auflädt.

Obwohl die Initiatoren meinen, daß es „technisch gesehen interessanter ist, eine bewegliche Beute zu fangen, als lediglich Pflanzen einzusammeln“, kommt das Gerät nie über das Konzeptstadium hinaus. Die UWE wird uns dagegen aber noch häufiger begegnen.

Das US-Unternehmen Robotic Technology Inc. konzipiert bereits 2003 den Energetically Autonomous Tactical Robot (EATR), doch so richtig voran kommt das Projekt erst 2008, als die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) in die Förderung einsteigt und die Entwicklung einer externen Hybrid-Verbrennungsmaschine durch die Firma Cyclone Power Technology finanziert. Mittels dieser sollen die Akkus nachgeladen werden, die den Roboter in Betrieb halten.

Obwohl der EATR mit seiner groben Energiegewinnungsmethode, welche auf der 2005 von Harry Schoell erfundenen Cyclone Mark V Engine basiert, einem ORC-Motor mit externer Verbrennung, damit eigentlich aus dem Bereich des MEH herausfällt, möchte ich seine Geschichte kurz präsentieren, da sie einen gewissen makabren Reiz besitzt.

An der Entwicklung des EATR beteiligt ist auch das Intelligent Systems Laboratory der University of Maryland. Einer hier durchgeführten Musterrechnung zufolge kann der EATR aus 1,5 – 5 kg Holz oder Pflanzen eine Kilowattstunde erzeugen, was ihm eine Fahrstrecke von 3 – 12 km erlaubt. In der nächsten Phase des Projekts geht es vor allem um die Fähigkeit, Biomasse-Energiequellen von jenen Stoffen zu unterscheiden, die keine Energie liefern, sie richtig zu verarbeiten und daraus elektrische Energie zu erzeugen. Die kommerzielle Nutzung des Projekts sieht neben militärisch einsatzfähigen EATR-Systemen auch zivile Anwendungen z.B. in der Land- und Forstwirtschaft vor.

Als sich im Jahr 2009 Gerüchte darüber verbreiten, daß sich dieser Roboter auch vom Fleisch toter Menschen ernähren könnte, die im Kampf fallen, versuchen es die Initiatoren anfänglich noch mit Schadensbegrenzung. Während Cyclone Power die Mark V Engine erfolgreich weiterentwickelt, wird die Arbeit am EATR jedoch bald darauf eingestellt.

Zu welchen Design-Ideen derartige Entwicklungen führen können, beweist das Project Nomad von Jason Battersby.

Der Design-Student am schwedischen Umea Institute of Design schlägt im Rahmen eines Seminars ‚The Ultimate Driving Experience’ im November 2009 ein künstliches Reittier vor, das mittels GPS-Empfänger auch selbständig nach Vegetation Ausschau halten kann, um sich dort aus der Nahrung Bio-Sprit für seinen Motor herzustellen.

Etwas ernsthafter ist der Entwurf einer Designergruppe aus China, der im April 2013 in den Blogs vorgestellt wird.

Der segmentierte Schwimmroboter Bio-Cleaner2 ist ein innovatives System, das die Technik der Roboter-Schlange mit der Biokraft von Shewanella oneidensis (spezialisierte Bakterien, die Metalle abbauen) kombiniert, um das Problem der Wasserverschmutzung durch Schwermetalle zu lösen.

Dabei erzeugen die Bakterien durch das Verfahren der Zerlegung oder Zersetzung der Schwermetalle Strom und sauberes Wasser, wobei der Strom die Roboter-Schlange in Betrieb hält, während das saubere Wasser zurück ins Meer abfließen kann. Bislang ist nicht bekannt, ob es zu einer Umsetzung gekommen ist.

Die oben erwähnte Idee eines autonomen Rasenmähers wird einer Meldung vom Februar 2014 von dem US-Startup EcoMow aufgegriffen, das ein Team von Ingenieuren und Studenten der George Mason University in Fairfax, Virginia, gegründet haben, wobei aber auch hier ein Verbrennungsmotor geplant ist, der sich aus Pellets von gemähtem Gras speist – weshalb ich dieses Projekt an dieser Stelle nicht weiter verfolgen werde.

Im Jahr 2007 beschäftigen sich bereits diverse Gruppen mit der Weiterentwicklung und Nutzung mikrobieller Brennstoffzellen. Forscher der Saint Louis University in Missouri um Shelly Minteer arbeiten beispielsweise an einer Bio-Brennstoffzelle für mobile Endgeräte, die Zucker in Energie umwandelt und zudem klein genug ist, um in Handys oder MP3-Playern eingesetzt werden zu können.

Das System, das bei Raumtemperatur funktioniert, bietet eine drei- bis vierfach längere Laufzeit als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien – und mit dem Prototypen, der etwa die Größe einer Briefmarke hat, betreiben die Wissenschaftler erfolgreich einen Taschenrechner und verwenden ihn als Ladegerät für ein Mobiltelefon. Ein besonderer Vorteil der Bio-Brennstoffzelle ist, daß sie mit nahezu jeder Zuckerquelle betrieben werden kann, sei es Traubenzucker, kohlensäurehältige Getränke, gesüßte Limonade oder Baumsaft. Geldgeber für die Studien ist das US-Verteidigungsministerium.

Bereits 2005 hatte Minteer gemeinsam mit Kollegen von der Washington University in St. Louis eine aufwärts strömende mikrobielle Brennstoffzelle  entwickelt (Upflow Microbial Fuel Cell, UMFC), um Strom zu erzeugen, während gleichzeitig Abwasser behandelt wird. Während eines fünfmonatigen Testzeitraums, in dem als Elektronendonor eine Saccharoselösung ,zugefüttert’ wird, erzeugt die UMFC kontinuierlich Strom mit einer maximalen Leistungsdichte von 170 mW/m². Um diese zu erzielen wird allerdings ein künstlicher Elektronenmediator namens Hexacyanoferrat in die Kathodenkammer eingeführt. Mehr zu den Abwasser-Systemen gibt es weiter unten.

Auch der japanische Elektronikkonzern Sony stellt einen Brennstoffzellen-Prototypen vor, der auf Zuckerbasis läuft und 50 mW Strom erzeugt, wodurch vier zusammengeschlossene Zellen genügend Energie lieferen, um einen MP3-Player zu betreiben. Eine neu entwickelte Kathodenstruktur sorgt dafür, daß das System mit ausreichend Sauerstoff versorgt und gleichzeitig die notwendige Menge Wasser beibehalten wird. Das vergleichsweise hohe Energielevel wird durch einen optimierten Elektrolyten erreicht.

Eine Gruppe von Studenten des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt 2007 wiederum eine MFC, das ausschließlich mit Pflanzenabfällen läuft. Der BioVolt genannte Prototyp verwendet Zellulose-fressende Bakterien, wobei die größte Herausforderung für die Studenten ist, eine billiges und doch effizientes Gerät für den Einsatz in Entwicklungsländern zu entwickeln, was teilweise durch den Einsatz eines Nicht-Platin-Katalysators gelingt.

Dem Team zufolge sollen sich die Kosten auf nur 2 $ belaufen – wobei das Gerät aber rund sechs Monate brauchen würde, um einen Handy-Akku vollständig aufzuladen, was nicht gerade eine praktische Lösung darstellt. Eine Verbesserung des Katalysators könne die Geschwindigkeit allerdings um das 100-fache steigern. Für die Herstellung des ersten Prototyps gewinnt das MIT-Team einen Preis des von Dow-Chemicals gesponserten MADMEC-Wettbewerb.

Im Rahmen einer Kooperation mit der Brauerei Fosters schließt die University of Queensland in Australien den Bau eines MFC-Prototyps ab, der Brauereiabwasser in Kohlendioxid, sauberes Wasser und Elektrizität umwandelt. Sollte sich der 10 Liter Prototyp bewähren, ist geplant, eine Version mit einem Volumen von 660 Gallonen zu errichten, die schätzungsweise 2 kW Leistung erzeugen wird, wobei der Produktion von sauberem Wasser die größte Bedeutung beigemessen wird. Außerdem könnte man dann auch kaum mehr vom Micro Energy Harvesting sprechen.

Vier afrikanische Studenten, die sich 2007 bei dem ,How to Create Things & Have Them Matter’-Kurs von David Edwards an der Harvard University in Cambridge treffen, gründen eine Initiative, um Licht nach Afrika zu bringen – unter Verwendung einer Erfindung, die auch als Dirt Power bekannt wird. Gemeinsam mit weiteren Kommilitonen entwickelt das Team unter der Leitung von Hugo Van Vuuren eine kostengünstige Batterie für den Einsatz in Afrika südlich der Sahara, wo mehr als 500 Millionen Menschen ohne Strom leben.

Grundlage ist eine MFC, die um 2006 herum von Prof. Peter R. Girguis gestaltet worden war, einem Experten für Organismische und Evolutionäre Biologie der Harvard University. Dieser hatte eine ,lebende Batterie’ erforscht, die am Boden des Pazifischen Ozeans durch Mikroben betrieben wird, die in der Nähe von hydrothermalen Quellen leben. Indem sich die Mikroben von schädlichen Chemikalien ernähren, die aus dem Meeresboden aufsteigen, schaffen sie elektrische Ströme, welche durch die Wände der kaminähnlichen Strukturen fließen, die sie bewohnen.

Guirguis, der auch noch 2012 an dem Thema dran ist und den Strom inzwischen durch die Implantation einer Elektrode an der Seite eines Unterwasser-Kamins in 2.200 m Tiefe an der pazifischen Nordwestküste gemessen hat, hofft nun, diese Energie erschließen zu können, um am Meeresboden Sensoren zu betreiben. Zwar sei die Menge der von den Mikroben produzierte Energie eher bescheiden, dafür aber von Dauer.

In einem Pilotprojekt der Initiative Lebônê Solutions, einer Ausgründung des Harvard-Teams, werden die mikrobiellen Brennstoffzellen, die ausschließlich mit Bodenbakterien betrieben werden und genügend Strom für LED-Leuchten und das Laden von Handy-Batterien produzieren, im Jahr 2008 Dorfbewohnern in Tansania zur Verfügung gestellt – der Heimat von Teammitglied Steven Lwendo. Das Wort Lebônê bedeutet im übrigen ,Lichtstab’ in der Sprache Sesotho, die im südlichen Afrika gesprochen wird.

Die Billig-MFC besteht aus einem 5-Gallonen-Plastikeimer, einer Anode aus Graphit-Stoff, einer Hühnerdraht-Kathode, mit Gülle vermischtem Schlamm, einer Sandschicht als Ionen-Barriere sowie Salzwasser als Elektrolyt. Das mit einem kleinen elektronischen Power-Management-Board verbundene System ist für Entwicklungsländer ideal, da die MFCs billig zu produzieren, einfach aufgebaut und umweltfreundlich sind.

Im Juni 2009 startet ein weiteres Pilotprojekt in Namibia, das von der Lighting Africa Initiative der Weltbank mit 200.000 $ gefördert wird. Hier werden 100 MFCs im Boden eingegraben und dort bewässert, um mehrere Monate lang Strom an zehn Haushalte zu liefern, die keinen Zugang zum Elektrizitätsnetz haben. Die Zellen sind aus kleinen Segeltuchtaschen gefertigt, die für erhöhte Spannung miteinander verknüpft werden können. Das US-Magazin Popular Mechanics wählt die Lebônê-MFC daraufhin als eine der 10. brillantesten Innovationen des Jahres 2009.

Und da es nach einiger Zeit weitere 100.000 $ von der Gates Foundation gibt, ḱann das Team umfangreiche Laboruntersuchungen durchführen und einen dritten Feldtest in Uganda vorbereiten, der im Sommer 2012 beginnen soll. Die Zellen produzieren derweil 75 – 400 µW Leistung und haben 0,4 – 0,8 V, weshalb ein 2 - 7 $ teurer Computer-Chip integriert werden muß, um die Spannung auf die 4 V zu steigern, die das Laden eines Handys erfordert.

Solche Boden-basierten mikrobiellen Brennstoffzellen dürfen übrigens nicht mit den sogenannten Erd-Batterien verwechselt werden, die ihren Strom durch die galvanische Reaktion von zwei unterschiedlichen Metallen erzeugen (s.d.).

Von Mitarbeitern der Middlesex University in Hendon, im Norden von London, wird 2007 für Unterrichtszwecke ein von Schlamm betriebener Wecker geschaffen, der bald darauf in verschiedenen Onlineshops zu Preisen von rund 10 £ angeboten wird.

Das Kit enthält eine Digitaluhr mit Leitungen, zwei kleine Blumentöpfe, Zink und Kupfer-Streifen, einen Schraubenzieher, Drahtverbindungen sowie detaillierte Anweisungen. Es soll Kinder dazu ermutigen, über Umweltfragen nachzudenken, während sie gleichzeitig ein wenig Chemie lernen.

Eine sehr ästhetische Umsetzung desselben Konzepts stellt die dänischen Designerin Marieke Staps im April 2008 auf der Ausstellung Milan Design Week vor. Ihre LED-Tischleuchte Soil Lamp wird ausschließlich mit der Elektrizität des biologischen Lebens innerhalb des Schlammes betrieben, welcher in den Sockel gefüllt wird.

Der Strom wird mittels einer Kupfer- und einer Zinkelektrode abgegriffen, und als einziger ‚Betriebsstoff’ muß dem Schlamm von Zeit zu Zeit etwas Wasser hinzugefügt werden.

Die Idee kommt ein weiteres mal im September 2009 in die Presse, als von Marjolein Helder und David Strik die niederländische Firma Plant-e B.V.  gegründet wird, ein Spin-Off der Universität Wageningen, das Strom aus lebenden Pflanzen verwenden will, um Handys aufzuladen und Wi-Fi-Hotspots zu versorgen. Für Veranstaltungen und Präsentation entwickelt die Firma die erste ,Ökostromwand’, mit der ein Mobiltelefon geladen wird - und die schnell den Spitznamen Wall-E bekommt.

Das von Bert Hamelers konzipierte und seitens der Environmental Technology Group der Universität ab 2007 entwickelte und patentierte System, dessen erste Tests von Strik durchgeführt werden, ist die Grundlage des nun Plant-e genannten Produkts, das darauf basiert, daß ein großer Teil der von Pflanzen via Photosynthese erzeugten organischen Stoffe, die nicht für das Pflanzenwachstum selbst verwendet werden, über die Wurzeln in den Boden ausgeschieden werden. Die dort lebenden Mikroorganismen brechen die organischen Verbindungen auf, um Energie zu gewinnen, wobei als Abfallprodukt Elektronen freigesetzt werden.

Durch die Bereitstellung einer Elektrode für die Mikroorganismen können diese Elektronen als nicht unbeträchtliche Menge Strom geerntet werden, und dies, ohne daß die Pflanze dabei in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird. Derzeit werden nur 0,4 W/m² erzeugt, doch Berechnungen zufolge sollte es möglich sein, in Nordwesteuropa mit einem optimierten System 3,2 W/m² zu produzieren – was bedeutet, daß sich mit 100 m² bis zu 2.800 kWh pro Jahr bereitstellen ließen.

Von 2009 bis 2012 werden die Pflanzen-MFCs durch ein multidisziplinäres Team in einem europäischen RP7-Forschungsprojekt  namens PlantPower erforscht – wobei auf der Projektseite zu lesen ist, daß dieses Projekt zum Spin-off der Firma Plant-e geführt habe.

Im Jahr 2012 wird als Proof-of-Concept die erste stromerzeugende Dachbegrünung auf dem Nederlands Instituut voor Ecologie (NIOO-KNAW) installiert. Helder forscht derweil an der Universität Wageningen weiter an MFCs. Wie im November bekannt wird, als sie ihre Doktorarbeit verteidigt, konzentriert sich das Team nun auf Feuchtgebiete, die schätzungsweise ca. 6 % der Erdoberfläche ausmachen.

Eine im März 2013 auf Indiegogo gestartete Crowdfunding-Kampagne, bei der 100.000 € eingesammelt werden sollen, scheitert allerdings, da nur weniger als die Hälfte des erhofften Betrags zusammenkommt. Dafür kann das Unternehmen, in dessen Besitz sich das Patent inzwischen befindet, bereits im Mai mitteilen, daß die niederländische Provinz Friesland in die Weiterentwicklung der Plant-e-Technologie investieren wird. Zusammen mit der Wasserbehörde Rijn&Ijssel soll nun an Prototypen für Anwendungen im großen Maßstab gearbeitet werden. Im Juli wird auch die niederländische Provinz Gelderland zum Investor – was bei dem Namen der Provinz bestimmt ein gutes Omen ist.

Die ersten Produkte werden im Februar 2014 in einer limitierten Auflage von 20 Systemen angeboten. Es sind vier Systeme von jeweils 100 m², die Plant-e Mobile, Plant-e Hotspot, Plant-e Dach und Plant-e Kreisverkehr heißen. Bereits im März wird das erste System an die Het Rijksvastgoedbedrijf (RVB) verkauft, eine niederländische Regierungsorganisation für Immobilien, um auf den Hembrug-Gelände in Zaandam installiert zu werden. Im April wird ein zweites Plant-e-System von den Gemeinden Ede und Wageningen gekauft, dessen Installation auf dem Food Innovation Strip erfolgt, der die beiden verbindet. Beide Anlagen werden im November eröffnet, wobei das letztere System vorerst nur die Lichter in einer Sicherheitsbarriere betreibt.

Im Oktober stellt die Firma eine neue Do-It-Yourself-Box für Workshops und Schulen vor, mit welcher Experimente mit der Plant-e-Technologie durchgeführt werden können. Die Box enthält Materialien für 25 Pflanzen-Batterien und kostet 742,98 €. Ein DIY-Paket für zu Hause mit Material für fünf Batterien wird mit 179,99 € berechnet, jeweils exklusiv der Pflanzen.

Im Januar 2015 scheitert auch eine Kickstarter-Kampagne, als von 88 Interessenten nur 6.923 € eingezahlt werden, was weit von den anvisierten 25.000 € entfernt ist. Dafür kauft die Stadtteilentwicklunggesellschaft Kerckebosch im März das dritte Plant-e-System, das auf dem Dach und an der Wand des Christian College Zeist (CCZ) plaziert wird und Strom für einen W-LAN-Hotspot erzeugen soll.

Im August wird Plant-e zudem durch das Weltwirtschaftsforum als einer der weltweit 49 vielversprechendsten Technologie-Pioniere ausgezeichnet. Außerdem wird gemeldet, daß nun auch die Provinz Zuid-Holland und der Wasserverband Delfland in einen Feldversuch investieren werden, bei dem Ende September entlang der N470 in Südholland das erste Plant-e-Röhrensystem installiert wird. Dieses ist für die großtechnische Stromerzeugung mit Pflanzen in feuchten Naturgebieten wie Mooren, Mangrovenwäldern, Reisfeldern und Deltagebieten entwickelt worden und soll bis 2017/2018 seine Marktreife erreichen.

Viel Presse bekommt die Plant-e im Jahr 2016, als sie sich mit der niederländischen Produktdesignerin Ermj van Oers zusammen tut, um mit dem Modell Living Light eine netzunabhängige Lampe zu entwickeln, die ihre Energie alleine durch den photosynthetischen Prozeß einer Zimmerpflanze gewinnt. Das Licht der drei integrierten LEDs wird übrigens durch sanftes Berühren der Pflanzenblätter aktiviert.

2017 werden weitere Prototypen hergestellt, 2018 Laborforschungen zu den Pflanzen und zur Energiestabilisierung durchgeführt, und 2019 folgen die Optimieren der Elektronik und Testreihen. Außerdem gründen in diesem Jahr van Oers und ihr Team die Firma Nova Innova als Mutterunternehmen, in dem weitere Anwendungen entwickelt werden sollen, die zu sauberen und nachhaltigen Energiesystemen beitragen.

Im März 2019 gehört die Plant-e zu den 20 Gewinnern der von What Design Can Do und der IKEA Foundation organisierten Clean Energy Challenge, und im November wird in Reyeroord in Rotterdam der ‚Park of Tomorrow‘ eröffnet, der als weltweit erster Park mit interaktiver, durch Pflanzen betriebener Beleuchtung gilt.

Im Juni 2020 werden die allerersten zehn Lampen in Betrieb genommen und ihren neuen Besitzern in den Niederlanden übergeben, wobei eigentlich mit einer limitierten Auflage von 50 Exemplaren gestartet werden sollte. Die Größe der Leuchten aus mundgeblasenem Glas und 3D-Druck-Elementen beträgt 56,5 x 28 x 28 cm, die vorgewählten Pflanzen sind Spathiphyllum und Chamaedorea Elegans – und der Preis liegt bei 1.500 €. Tatsächlich läßt sich das Living Light aber auch Mitte 2023 noch nicht bestellen.

Ebenfalls im Jahr 2009 entwickeln die drei chilenischen Studentinnen Evelyn Aravena, Camila Rupcich und Carolina Guerrero an der Duoc UC in Valparaíso und der Andrés Bello National University in Santiago de Chile den ersten Prototyen ihres E-Kaia, eines USB-Ladegeräts, das indirekt die Sonnenenergie nutzt, aber dennoch Tag und Nacht Strom liefern kann, indem es in der Nähe von Pflanzen in die Blumenerde gesteckt wird. Aufgrund der konstanten Stromproduktion kann es nicht nur Smartphones laden, sondern auch eine Lampe mit Energie versorgen.

Nach Angaben der Entwicklerinnen benötigt der E-Kaia mit seinem Output von bis zu 5 V bei etwa 600 µA lediglich anderthalb Stunden, um ein Smartphone vollständig zu laden.

Nachdem die drei durch die Chilean Economic Development Agency finanziell gefördert werden, können sie das Produkt bis zur Marktreife bringen, das nun im Laufe des Jahres 2015 auf den Markt kommen soll, was sich bislang aber nicht bestätigen ließ.

Im August 2011 zeigt der Doktorand Paolo Bombelli von der University of Cambridge in Zusammenarbeit mit den Designern Alex Treiber und Carlos Peralta auf der Ausstellung London Design Week, wie die nächste Generation der biophotovoltaischen Umsetzungen aussehen könnten. Am bekanntesten werden sie mit einer von Moos betriebenen Lampe, die in einen Beistelltisch integriert ist.

Der Tisch ist Teil des Forschungsprojekts Design in Science, in dessen Rahmen die Möglichkeiten der Verschmelzung von Design und Wissenschaft geprüft werden.

Auch ein ,Offshore-Kraftwerk’, das 5 – 6 W/m² erzeugen kann, erregt beträchtliches Interesse. Die BPV-Anlage besteht aus einer Vielzahl von mit Algen beschichteten, schwimmenden Platten, die letzendlich wie gigantische Seerosenblätter aussehen.

Nach Angaben der Designer würde dieses Kraftwerk auch während der Nacht Energie erzeugen, als Folge der überschüssigen Elektronen innerhalb der Algenzellen, die während der Tagesstunden gespeichert wurden.

Weitere Ideen, die das Team vorstellt, umfassen für den Hausgebrauch bestimmte BPV-Paneele sowie Solarmasten, die wie vertikale Türme mit Algen bedeckt sind.

Die Solarzelle auf Bio-Basis, die manchmal auch Photo-Microbial Fuel Cell genannt wird, geht ab 2013 in Form eines eines Bildungs-Baukastens für Schulen am Hills Road Sixth Form College in die Erprobung. Als nächste Stufe wollen sich die Wissenschaftler mit der breiten Palette der möglichen kommerziellen und praktischen Anwendungen beschäftigen. Mehr zu den biologischen Solarzellen findet sich im Kapitel Sonnenenergie (s.d.).

Im Februar 2014 zeigt das Cambridge-Team dann das erste von Pflanzen betriebene Radio der Welt, das unter dem Namen Moss FM in Zusammenarbeit mit der Schweizer Designerin Fabienne Felder konstruiert worden ist. Die Idee dazu geht auf Prof. Christopher Howe zurück. Das Team hofft, daß es in fünf bis zehn Jahren gelingt, die Technologie auch wirtschaftlich lebensfähig zu machen.

Bereits im März 2012 erscheint in den Blogs ein etwas befremdliches, aber dennoch interessantes Design, das auch auf Pflanzen-MFCs aufbaut – sowie auf der Laufmechanik der bekannten Strandbeests des holländischen Künstlers Theo Jansen, die im Kapitelteil Wind und Kunst beschrieben sind (s.d.).

Unter dem treffenden Namen Nomadic Plants stellt der Designer Gilberto Esparza aus Aguascalientes in Mexico einen autonomen ,begrünten’ Roboter vor, der eine MFC nutzt, um die Energie von verschmutztem Wasser für seine Bewegung einzusetzen.

Der Roboter schafft eine auf Gegenseitigkeit beruhende Verbindung zwischen Mechanik, Vegetation und Mikroorganismen, bei der letztere regelmäßig das verunreinigte Wasser ,genießen’ dürfen und dafür wiederum die Energie für die Betriebsabläufe des Roboters erzeugen, wie z.B. das selbständige gießen seiner Grünfläche.

Wie überaus ästhetisch eine moderne Umsetzung der Technologie aussehen kann, belegt der Prototyp eine biophotovoltaischen Paneels, das seine Energie aus Bakterien im Boden bezieht und im Februar 2014 in den Blogs kursiert.

Das auf dem Campus des nahe Barcelona gelegenen Valldaura Self Sufficient Lab, einem Institut für fortschrittliche Architektur, installierte Paneel ist 2 x 2 m groß, 10 cm dick und aus mit Epoxidharz beschichtetem Polystyrol hergestellt, das zur Erhöhung der Steifigkeit mit Holz verkleidet ist. Dabei wird ein Voronoi-Muster in drei verschiedenen, jeweils unterschiedlich großen Ebenen gewählt: einer ersten und großen, die dem Stück seine Steifigkeit gibt, einer zweiten, die in die verschiedenen Batteriegruppen aufgeteilt ist, sowie einer dritten und kleinsten, welche die Batteriezellen selbst enthält.

Diese betreiben wiederum einen Arduino-Mikrocontroller, der die Sensoren für die Datenaufnahme sowie die Bewässerungspumpe steuert. Entwickelt und hergestellt wird das energieerzeugende Paneel von Marios Mouzakopoulos, Pablo Marcet, Ashwini Mani und Akanksha Kargwal.

Im November 2015 präsentiert ein Team von Lehrern und Studenten der Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC) in Peru eine Kombination aus Pflanze und LED-Lampe, die den pragmatischen Namen PlantLamp trägt (Plantalámpara).

Die sich selbst mit Strom versorgende Leuchte greift auf die Elektronen zurück, die freigesetzt werden, wenn Geobacter-Bakterien in der Erde auf von den Pflanzen ausgesonderte Nährstoffe treffen. Als Elektronen setzen die Wissenschaftler ein im Pflanzenkasten integriertes Netz ein, das mit einer Batterie verbunden ist, die mit der so gewonnenen Energie geladen wird und ihrerseits eine starke LED-Lampe betreibt.

Das Team um Prof. Elmer Ramirez verteilt zehn Prototypen der neuartigen Pflanzen-Lampe in der Regenwaldsiedlung Nuevo Saposoa, wo die Menschen von der außergewöhnlichen LED-Lampe sehr angetan sind, die immerhin zwei Stunden Licht pro Tag abgibt.

Wie Anfang 2019 gemeldet wird, profitieren inzwischen 37 Familien in Nuova Saposoa von diesen umweltfreundlichen und kostengünstigen Lampen, die auch nicht wie die vorher genutzten Kerosinlampen giftige Stoffe ausdünsten. Womit die Frage offen bleibt, warum diese einfache Technik nicht auch in anderen Ländern verbreitet wird.

Daß sich symbiotische Bakterien auch in einem erdlosen Medium einsetzen lassen, um Strom zu produzieren, zeigt die russische Designerin Elena Mitrofanova am Institute for Advanced Architecture in Katalonien, die dabei mit Paolo Bombelli von der University of Cambridge zusammenarbeitet.

Der Entwurf Moss Voltaics besteht aus modularen und aneinander montierbaren Ton-Ziegeln, in deren Hohlräumen sich als Substrat wasserabsorbierende Hydrogele und leitfähige Kohlenstoff-Fasern befinden, die im wesentlichen als Anoden dieses Moos-basierten Energieerzeugungssystems fungieren. Die Kunststeine selbst bilden schützende Hüllen für das Moos, beschatten es vor dem Sonnenlicht und ermöglichen ein gedeihliches, feuchtes Mikroklima. Gewählt wid Moos, weil es besonders robust ist, wenig Wasser benötigt und auch in nördlichen Klimazonen gut wächst.

Das skalierbare System, dessen einzelne Elemente 0,4 – 0,5 V liefern, kann entweder parallel oder in Reihe geschaltet an den Fassaden von Gebäuden installiert werden. Mit einem Aufbau aus 16 Modulen werden bislang zwar nur 3 W erzeugt, doch dies soll mit Hilfe künftiger Technologien gesteigert werden.

In einem kleineren Format kann das auch der Blumentopf Bioo Lite, der im April 2016 in den Blogs vorgestellt wird.

Der relativ aufwendig aufgebaute Entwurf geht auf die in Barcelona beheimatete Firma Arkyne Technologies zurück, die verspricht, daß der Bioo Lite mit Hilfe der Energie aus der Photosynthese ein handelsübliches Smartphone dreimal am Tag laden kann – sofern die Pflanze regelmäßig gewässert wird.

Natürlich kann man auch einige Töpfe zu einer Art Mini-Blumenbeet mit Ladefunktion verbinden. Das Bioo Panel soll dabei über eine Kapazität von 40 W verfügen und jährlich bis zu 280 kWh Strom produzieren.

Zur Umsetzung ihres Projekts setzen die Entwickler auf die Crowdfunding-Plattform Indiegogo, wo das einzelne Blumentopf-Ladegerät für 120 € angeboten wird. Obwohl bis Mitte Juni fast 100.000 € zusammenkommen, platzt das Projekt und die eingesammelten Beiträge werden zurückerstattet. Grund dafür sind Probleme mit zwei der wichtigsten Zulieferer aufgrund der hohen Marktnachfrage. Nun hofft das Team, im Jahr 2017 mit der Vermarktung beginnen zu können.

Eine weitere Kombination aus Mikroben und Sonnenlicht bilden die Living Bricks eines gemeinsamen Projekts der Universität Newcastle, der University of the West of England (UWE) in Bristol, der Universität Trient in der Region Trentino-Südtirol, dem spanischen Nationalen Forschungsrat sowie den Firmen LIQUIFER Systems Group und EXPLORA. Die prototypischen Bausteine, die im Oktober 2016 in den Blogs erscheinen, basieren auf einer ursprünglich an der UWE entwickelten mikrobiellen Brennstoffzellentechnologie.

Der Projektkoordinatorin Rachel Armstrong zufolge ist das Ziel des Projekts, für Menschen in Entwicklungsländern ganze Gebäude mit Wänden zu bauen, die ihre eigene Energie für die Beleuchtung produzieren können. Die Prototypen der energieerzeugenden Bioreaktorwände sind derzeit allerdings erst in der Lage, ausreichend Strom für eine einzelne LED zu erzeugen.

Die aktuelle Version der Living Bricks, die auf der Biennale 2016 in Venedig vorgestellt wird, befindet sich seit acht Monaten in der Entwicklung, doch ihre Schöpfer experimentieren weiter mit verschiedenen Materialien, um sowohl die Ästhetik als auch die Energieerzeugung zu optimieren. Die Ergebnisse sollen dann auf der Biennale 2017 in Estland gezeigt werden.

Nur einen Monat später präsentiert die niederländische Designerin Teresa van Dongen auf der diesjährigen Dutch Design Week das Konzept einer stromlosen LED-Lampe, in deren Inneren sich lebendige, elektrochemisch aktive Bakterien befinden, die für die elektrische Spannung und damit das Licht sorgen. Die Lampe mit den Namen Spark of Light baut auf den vorangehenden Arbeiten der Designerin mit biolumineszierenden Bakterien auf.

Die sphärische Lampe besteht aus insgesamt vier einzelnen Untereinheiten, die die Bakterien beinhalten, wobei eine Elektrode in jeder Einheit die Spannung aufnimmt, die von den Bakterien erzeugt wird, um die LEDs im mittleren Bereich der Lampe zu betreiben. Die Bakterien müssen alle zwei Wochen mit einem Teelöffel Acetat gefüttert werden – und alle paar Monate muß die Lampe von innen gereinigt und neu mit Leitungswasser, Salz und Vitaminen befüllt werden.

Es lohnt sich, auch sie späteren Projekte der Künstlerin anzuschauen, die sie zusammen mit dem Center For Microbial Ecology and Technology (CMET) der Universität Gent entwickelt, wie Biolume, wo ein Stamm Geobacter für die bakterielle Beleuchtung sorgt; Electric Life, das im Februar und April 2019 im Centre Pompidou in Paris ausgestellt wird; oder die Installation Mud Well, die sie für das Oerol Festival 2019 konstruiert hat.

In diesem Kontext sei auch auf den Tontopf Alinti (clean Energy) von Hernán Asto Cabezas aus Huanta, Ayacucho, in Peru verwiesen, der für die Energiegewinnung Sonnenkollektoren, die Photosynthese sowie die Wirkung von fünf elektrogenen Mikroorganismen kombiniert. Der Bauingenieurstudent an der Universität Alas Peruanas (UAP), Erfinder und Unternehmer scheint das gleichnamige Projekt Alinti im Jahr 2016 ins Leben gerufen zu haben.

Die ersten Pressemeldungen darüber stammen von 2018, als Alinti eines der zehn Projekte von mehr als 7.000 Bewerbungen aus aller Welt ist, die in der Endrunde des Wettbewerbs ‚Eine Idee, um die Geschichte zu verändern‘ stehen, den der Fernsehsender History Channnel organisiert.

Um elektrische Energie aus Pflanzen und Mikroorganismen zu gewinnen, hat Cabezas gemeinsam mit einem Team von Fachleuten ein hybrides Tongefäß entwickelt, in welchem sich fünf Bakterienarten und eine Reihe ausgewählter Pflanzen befinden. Dabei funktioniert der Ton wie ein Kühlschrank und ermöglicht es den Mikroorganismen, sich viel besser zu entwickeln. Außerdem löst er das Überhitzungsproblem der am Topf angebrachten Solarzellen.

Der gewonnene Strom wird in einer 10 A Batterie gespeichert, mit der zwei Mobiltelefone aufgeladen werden können oder die 6 – 8 Stunden lang Licht spendet. Cabezas Initiative ermöglicht im Laufe der Jahre vielen Familien in ländlichen Gegenden den Zugang zu Elektrizität. Später erscheinen auch mehrere Videos über den E-Tontopf, und im Jahr 2022 wird die Technologie zusammen mit dem Partner DDB Centro der Biermarke Cerveza Corona bei der ‚Corona Bar, Powered by Nature‘ in Guatemala eingesetzt, um deren Kühlschränke und die Beleuchtung zu betreiben.

Forscher um Mirella Di Lorenzo von der University of Bath in Großbritannien nutzen wiederum mikrobielle Brennstoffzellen, um Regen- in Trinkwasser zu verwandeln, wie sie im November 2020 nach einem Feldversuch in Brasilien berichten (‚Development of a functional stack of soil microbial fuel cells to power a water treatment reactor: From the lab to field trials in North East Brazil‘).

In ihrer mikrobiellen Boden-Brennstoffzellen (Soil Microbial Fuel Cells, SMCFs) befinden sich zwei Elektroden auf Kohlenstoffbasis, die in einem festen Abstand von 4 cm verbunden werden, wobei die Anode zur Hälfte im Boden vergraben ist, während die Kathode von Luft umströmt wird. Bevölkern nun die Elektronen übertragenden Elektrigene die Oberfläche der Anode und fressen organisches Material, übertragen sie Elektronen an die Anode und erzeugen einen nutzbaren elektrischen Strom.

Ein Stapel mehrerer SMFCs kann so eine Batterie laden – oder einen elektrochemischen Reaktor zur Wasseraufbereitung versorgen. Das Labormodell besteht aus einer Reihe von SMFCs, von denen jede eine Leistung von 0,4 mW erzeugt, die durch die Parallelschaltung von 16 SMFCs auf bis zu 12,2 mW gesteigert werden kann, wobei die Leistung über 140 Betriebstage stabil bleibt.

Der an einer Grundschule in Icapuí im Nordosten Brasiliens realisierte hochskalierte Prototyp besteht aus einem Stapel von 64 SMFCs und bereitet täglich bis zu drei Liter Wasser auf, was dem Trinkwasserbedarf einer Person entspricht. Das nächste Ziel ist, Design und Effizienz so zu verbessern, daß ein einziges Gerät das Trinkwasser einer ganzen Familie reinigen kann. Dies beinhaltet die Erzeugung von genügend Energie, das effektive Sammeln und Speichern dieser Energie sowie die effiziente Behandlung des Wassers, um Qualität und Trinkbarkeit zu gewährleisten.

Im September 2021 zeigen die Fachblogs das Serversystem Warm Earth von Ilja Schamle, einem Absolventen der Design Academy Eindhoven, das mit der Energie von Tomaten aus dem Indoor-Anbau betrieben wird. Das Projekt ist Teil der Missed Your Call Absolventenausstellung auf der Mailänder Designwoche und verkörpert die symbiotische Beziehung zwischen Technologie und Natur.

Während die erneuerbare Energie, die aus den Tomatenstöcken gewonnen wird, ausschließlich für den Betrieb des autarken Cloud-Server-Systems genutzt wird, wird im Gegenzug die durch die Wärmeabgabe der Rechner erzeugte Energie zyklisch eingesetzt, um die optimale Temperatur für das Gemüse-Wachstum aufrechtzuerhalten.

Das konzeptuelle DIY-Projekt beherbergt die Tomatenpflanzen in den Server-Racks, während der Server selbst an der Außenseite der Anlage montiert ist. Lüfter leiten die heiße Luft in das Innere des Schranks und verwandeln ihn in ein Gewächshaus. Die Tomaten versorgen wiederum den Server über die o.e. mikrobiellen Brennstoffzellen der Universität Wageningen. Da sich die Server in geschlossenen Räumen befinden, dienen solarbetriebene LED-Growlampen als Sonnenlichtquelle.

 

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