TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Biologische Systeme

Insekten und Weichtiere

Etwas größer als ihre bakteriellen Arbeitskollegen sind die Insekten, die nun ebenfalls antreten müssen, um mit ihren Kräften Strom zu produzieren, genauso wie verschiedene Weichtiere.

Eine der ersten Gruppen, die sich mit der direkten Energierzeugung durch Insekten befaßt, arbeitet am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und wird von Prof. Anantha P. Chandrakasan geleitet. Das MIT ist zusammen mit der University of Michigan und dem Boyce Thompson Institute for Plant Research in Ithaca, New York, einer der drei großen Auftragnehmer eines entsprechenden Projekts der DARPA (s.u.), an welchem zudem die University of California, Berkeley, die University of Arizona und die Washington University in St. Louis, Missouri, beteiligt sind.

Dieses Team meldet im Februar 2009 erste Erfolge bei der ,Erschaffung’ kybernetischer Käfer-Hybriden, deren Flug sich durch Funksysteme mit extrem niedriger Leistung steuern läßt. Dabei wird auch an einem piezoelektrischen Energy-Harvesting-System gearbeitet, um diese Schaltungen durch Gewinnung von Energie aus der Bewegung der Insekten zu betreiben, die zwischen zehn und mehreren hundert Mikrowatt Leistung liefern könnten.

Chandrakasan wird uns im übrigen nochmals in den Absätzen Elektrostatik, Licht und Wärme begegnen (s.d.).

Einem Bericht vom November 2011 zufolge arbeiten Forscher der University of Michigan um Prof. Khalil Najafi und den Doktoranden Erkan Aktakka derzeit an einer Reihe von Cyborg-Insekten, welche mit der eigenen Flügelbewegung Energie erzeugen, um Sensoren zu betreiben, die in winzigen ,Insekten-Rucksäcken’ installiert sind. Dabei probieren die Wissenschaftler unterschiedliche Versionen von Energiegewinnungssystemen aus, um die Käferbewegungen sinnvoll zu nutzen. Der gewonnene Strom dient wiederum der neuronalen Beeinflussung der Tiere.

Für die Versuche mit den Käfern werden neben balkenförmigen auch spiralförmige piezoelektrische Generatoren entwickelt, um trotz des begrenzten Bereichs die Ausgangsleistung zu maximieren. Ihre Herstellung aus piezoelektrischen Substraten erfolgt mit einem Femtosekunden-Laser und einem Minimum an Beschädigung des Materials. Mit diesen Generatoren können jeweils rund 45 µW gewonnen werden. Je näher sie an den Flügelwurzeln verankert sind, desto effizienter nutzen sie die Bewegungen, als Spitzenwert werden 115 µW erreicht. Von einer direkten Anbindung an die Flügel wird die 10-fache Energiemenge erhofft, da erst diese ausreichen würde, die neuronalen Implantate zu versorgen.

In dem Bericht abgebildet wird allerdings auch ein Konzept, das neben dem ,Mind-Controller’ (mit dem die Insekten ferngesteuert werden) und den Sensoren ein ganzes Kraftwerk umfaßt, bestehend aus Dünnschicht-Solarzellen, piezoelektrischen und thermoelektrischen Harvestern sowie einer Dünnschichtbatterie. Auf dem Labor-Foto ist wiederum ein Insekt zu sehen, das mit einem balkenförmigen piezoelektrischen Generator ausgestattet ist.

Durch das Abfangen der Energie könnten potentiell Kameras, Mikrofone, Gas- oder andere Sensoren sowie Kommunikationstechnik betrieben werden, um die ,verwanzten’ Käfer in Zukunft als Ersthelfer in für den Menschen gefährliche oder geschlossene Umgebungen zu schicken. Die kleinen fliegenden Insekten-Roboter könnten dann die ersten sein, die Landmassen nach Naturkatastrophen wie Vulkanausbrüchen oder Tsunamis überblicken – oder auch von Menschen verursachte, wie Atom- oder Chemiekatastrophen.

Es ist logisch, daß die Forschung durch einen Zuschuß aus dem Hybrid Insect Micro Electromechanical Systems (HI-MEMS) Programm der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) unterstützt wird. Diese hatte bereits Anfang 2006 zu entsprechenden Forschungsvorhaben auf dem Gebiet der Schnittstellen zwischen Insekten und Mikroelektromechanischen Systemen angerufen. Die Universität verfolgt nun den Patentschutz ihrer Entwicklung und sucht Kommerzialisierungs-Partner, um die Technologie auf den Markt zu bringen.

Schon im Januar 2012 folgt die nächste Nachricht aus der Welt der Energie-Insekten. Demnach ist es Forschern der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio, gelungen, Strom aus Kakerlaken mittels einer Methode abzuzapfen, die nur auf der normalen Nahrungsaufnahme des Insekts beruht.

Aufgrund der Erkenntnis, daß es viel einfacher ist, ein echtes Insekt zu verwenden, als von vorne anfangen, eine Vorrichtung zu schaffen, die wie ein Insekt arbeitet, entwickelt ein Team um die Professoren Roy E. Ritzmann, Daniel Scherson und Irene Lee im Laufe von fünf Jahren eine implantierbare Biokraftstoffzelle, die genug nutzbare Leistung erbringen soll, um verschiedenen Sensoren, Aufnahmegeräte oder die Elektronik zur Steuerung eines Insekten-Cyborgs zu betreiben.

Um die chemische Energie aus den Insekten zu ernten und in Strom zu wandeln, verwendet das Team als Anode  zwei Enzyme in Serie. Das erste Enzym spaltet den Zucker Trehalose, den eine Kakerlake ständig aus ihrer Nahrung erzeugt, in zwei einfachere Zuckerformen namens Monosaccharide, während das zweite Enzym die Monosaccharide oxidiert um Elektronen freizusetzen. Der Strom fließt, wenn die Elektronen zu der Kathode gezogen werden, wo Luftsauerstoff die Elektronen aufnimmt und zu Wasser reduziert wird.

Nach der Prüfung des Systems mit einer Trehalose-Lösung, führt das Team Prototyp-Elektroden in eine Nebenhöhle im Bauchraum einer weiblichen Gemeinen Küchenschabe (Blaberus discoidalis) ein, fern von kritischen Organen, wobei das Insekt keine langfristigen Schäden erleidet, was den Forschern zufolge ein gutes Zeichen für eine ebenfalls langfristige Nutzung sei. Da die Insekten ein offenes Kreislauf-System haben, steht ihr Blut nicht unter so starkem Druck wie bei Wirbeltieren, was die Sache viel einfacher macht.

Mit einem Instrument namens Potentiostat kann das Team feststellen, daß die maximale Leistungsdichte der Brennstoffzelle ca. 55 µW/cm² bei 0,2 V erreicht, was sich nach ca. 2,5 h Betrieb um nur rund 5 % verringert. Die Forscher arbeiten nun daran, die Zelle soweit zu miniaturisieren, daß sie vollständig in ein Insekt implantiert werden kann, ohne es dabei zu hindern, wie normal zu laufen oder zu fliegen. Dabei wird auch getestet, welche Materialien für eine lange Zeit in einem Insekten überdauern könnten. Die Wissenschaftler glauben, daß es möglich ist von Kakerlaken einige hundert Mikrowatt zu erhalten.

Gemeinsam mit anderen Forschern arbeitet das Team zudem an der Entwicklung eines Signalgebers, der mit wenig Energie auskommt, wobei auch untersucht wird, wie sich ein leichter Akku zu dem System hinzufügen ließe. Und auch hier hat man bereits konkrete Vorstellungen, wie ein Einsatz aussehen könnte: Ein mit einem entsprechenden Sensor ausgestattetes Insekt soll beispielsweise die Menge eines schädlichen Gases in einem Raum messen, die Ergebnisse senden, dann für eine Stunde pausieren, um den Akku aufzuladen, und schließlich eine neue Messung durchführen und wieder ausstrahlen.

Die Forscher des Biorobotics Laboratory der Universität hatten übrigens schon 2006 eine große Roboterschabe aus Metall gebaut, die nicht nur die Anatomie der Insektes nachahmt, sondern auch die Art und Weise, wie dessen Gliedmaßen gesteuert werden. Gemeinsam mit Neurowissenschaftlern, die mit den Originalen arbeiten, will man die neuronalen Mechanismen ergründen, die es den Insekten erlauben, auf Hindernisse richtig zu reagieren. Die Wissenschaftler kooperieren dabei mit der Nasa, da das Kakerlaken-Knowhow einmal Robotern für einen Einsatz auf der Mondoberfläche dienen soll.

Im März 2012 berichtet eine Forschergruppe um Prof. Evgeny Katz an der Clarkson University in Potsdam, New York, daß sie in braune Gartenschnecken eine winzige Bio-Brennstoffzelle implantiert habe, die zur Stromerzeugung Glukose und Sauerstoff aus dem  Blut der Schnecke extrahiert. Die Elektroden bestehen aus dünnen Folien, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren (Buckypapier) hergestellt sind.

Mit einer Lebensdauer der Schnecken von etwa einem Jahr sei ihre Arbeit das erste Beispiel für eine erfolgreiche, nachhaltige Stromerzeugung im Körpers ein lebendes Wesen über mehrere Monate. Nicht überraschend, daß sich das U.S. Department of Defense auch für diese Arbeiten interessiert und sie finanziert.

Die Menge an Energie, die dabei zur Verfügung gestellt werden kann, ist durch die Größe der Elektroden begrenzt, sowie davon, wie schnell Zucker und Sauerstoff dem Blut entnommen werden können – bzw. der als Hämolymphe bekannten Flüssigkeit im Fall der Schnecken, die bis zu 7,45 µW produzieren, wobei die Energie aber schon nach 45 Minuten um 80 % zurückgeht. Um eine Dauerleistung zu erreichen, muß das Team die Energieextraktion auf 0,16 µW herunterfahren.

Bei bedarfsgerechter Fütterung und mit Erholungszeiten ist die ,elektrifizierte’ Schnecke als biotechnologisches, lebendes ,Gerät’ in der Lage, Glukose zu regenerieren und dann eine neue Portion elektrischer Energie zu erzeugen. Dabei kann sie in ihrer natürlichen Umgebung operieren und elektrische Mikroleistung für verschiedene bioelektrische Geräte für militärische und Umweltzwecke aktivieren. Den Forschern zufolge sind die Tiere sehr fit - sie fressen, trinken und kriechen augenscheinlich recht zufrieden herum.

Im April folgt der Bericht über der weiteren Versuch mit einer lebenden Batterie, der diesmal mit Venusmuscheln durchgeführt wird und die von diesen hergestellte Glukose als Brennstoff nutzt, wobei die Aktivitäten der Muscheln stark von den Umgebungsbedingungen abhängig sind, die ihre physiologische Prozesse beeinflussen. Das einzelne der Weichtiere erzeugt eine Spannung von ca. 800 mV, einen Kurzschlussstrom von 25 μA und eine Maximalleistung von 5,2 μW, während mit der seriellen und parallelen Verbindung von 3 ,elektrischen’ Muscheln bei 360 mV etwa 300 μA bzw. 37 μW erreicht werden.

Eine derartige Muschel-Batterie wird mit einem Kondensator verbunden, der auf 240 mV aufgeladen wird und eine akkumulierte elektrische Energie von umgerechnet 28,8 mJ bereitstellt. Durch Entladen des Kondensators kann ein Elektromotor in Drehung versetzt werden.

Katz stößt nun zu größeren Tieren vor, deren Stoffwechsel mehr Leistung zur Verfügung stellt – wie beispielsweise Hummer. Und so werden auch diese Krebstiere ins Labor geholt, wobei der Forscher betont, daß die Tiere keine Schmerzen fühlt, da Hummer dort, wo man sie aufschneidet, keine Nervenenden besitzen. Außerdem beanstandet Katz, daß trotz jahrelanger Arbeit bislang noch keines der involvierten Teams Versuche unternommen hätte, mit den enzymatischen Brennstoffzellen echte elektronische Geräte mit Strom zu versorgen.

In einem im September 2012 veröffentlichten Artikel wird beschrieben, wie in zwei lebende Hummer Bio-Brennstoffzellen implantiert und in Reihe geschaltet werden. Die Technik hat sich nicht geändert, auch hier katalysieren Enzym-modifizierte Elektroden in den Zellen die Glukoseoxidation und Sauerstoffreduktion in der Flüssigkeit innerhalb des Hummer-Körpers um einen Strom zu erzeugen. Bei dem erfolgreichen Experiment wird mit 12 µW bei 1,2 V immerhin genug Strom produziert, um eine Digital-Uhr zu betreiben.

In einem zweiten, separaten Versuch schalten die Forscher fünf Bio-Brennstoffzellen in Serie und plazieren sie in einer fließenden Humanserum-Lösung. Das fluidische System, das den menschlichen Blutkreislauf nachahmt. Um reale Bedingungen zu replizieren, versetzen sie die Lösung mit verschiedenen Konzentrationen von Glukose, wie sie einem hungrigen gesunden Menschen entspricht, einer normalen gesunden Person und einer Person mit Diabetes.

Zudem lassen sie die Serumlösung in unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zirkulieren, um darstellen, ob eine Person ruht oder aktiv ist. Die fünf verknüpften Zellen sind in der Lage genug Strom zum Betrieb eines Herzschrittmachers zu liefern (3V), was bedeutet, daß diese eines Tages tatsächlich keine Batterien mehr benötigen.

Bevor diese Geräte wirklich in den menschlichen Körper implantiert werden, gibt es noch zwei Probleme zu lösen. Der erste ist, den Spannungsausgang der Zellen zu erhöhen, weshalb das Team an einer entsprechenden Ladungspumpe arbeitet, deren Ergebnisse in wenigen Monaten bekanntgegeben werden sollen. Das andere Problem ist die Stabilisierung der biokatalytischen Elektroden für Langzeitbetrieb, was als große Herausforderung gilt und noch einige Jahre dauern kann. Mehr über solche Systeme findet sich unter Flüssigkeiten (s.o.).

Im Mai 2012 folgt die Meldung, daß Sameer Singhal und seine Kollegen bei der CFD Research Corp. in Huntsville, Alabama, gemeinsam mit der bereits bekannten Shelley D. Minteer (die inzwischen anscheinend an der University of Utah gelandet ist) ebenfalls Bio-Brennstoffzellen in Käfer implantieren.

Unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden zwei verschiedene Enzyme auf den Elektroden einer Brennstoffzelle immobilisiert, um aus Glukose Elektronen freizusetzen, wobei bislang nur zwei der in einem einzigen Glukose-Molekül verfügbaren 24 Elektronen nutzbar gemacht werden können, was durch Verfeinerungen der Technik in Zukunft gesteigert werden soll.

Nachdem Singhal den Prototyp in Größe eines Cents in die Insekten implantiert hat, die den Prozeß auch überleben, erzeugen diese für mehr als zwei Wochen lang über 20 µW. Das ist zwar nur etwa ein Fünftel der Energie, die ein Herzschrittmacher benötigt, doch die Wissenschaftler rechnen damit, daß eine Version der Zelle in ,Menschengröße’ genug Strom liefern könnte.

Probleme bilden zudem ein Biofouling genannter Prozeß, bei dem im Körper implantierte Fremdkörper mit Proteinen und Gewebe verkrusten, was die Bio-Brennstoffzellen schon nach wenigen Monaten außer Betrieb setzen könnte. Ebenso beunruhigend sind die Enzyme, die im Laufe der Zeit zu Ausfällen neigen.

In einem im Juni veröffentlichen Bericht bieten Rahul Sarpeshkar und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine Lösung für beide Probleme an. Zum einen eine Glukose-Brennstoffzelle, die sich aufgrund ihres Platin-Katalysators mit der Zeit nicht verschlechtert. Der Nachteil ist hier, daß Platin ein weniger effizienter Katalysator ist als die von Singhal verwendeten Enzyme – und daß die damit gebaute Zelle auch dementsprechend weniger gut funktioniert.

Die Lösung für das Problem mit dem Biobewuchs ist wiederum, die Brennstoffzelle in der Cerebrospinalflüssigkeit (CSF) zu implantieren, die das Gehirn umgibt. Zwar weist die CSF nur die Hälfte der Glukosekonzentration des Blutstromes auf, ist dafür aber praktisch frei von den Proteinen und Zellen, die in anderen Bereichen des Körpers implantierte Vorrichtungen verunreinigen würden.

Ein weiterer Ansatz des MIT könnte sogar mehr Energie liefern. Einige im Boden lebende Bakterien werden so verändert, daß sie die Elektronen aus der Glukose-Oxidation auf Eisen-Moleküle übertragen, was den Forschern ermöglicht, sie zu überlisten auf der Anode einer Brennstoffzelle zu leben. Eine derartige Mikrobenkolonie, die in geeigneter Weise vom Immunsystems des Wirts isoliert ist, könnte dazu genötigt werden, mit Elektronen aus dem Blutstrom zu ,handeln’. Da die Bakterien ihre eigenen Enzyme erneuern können, würde ein solches System auf unbestimmte Zeit funktionieren. Vermutlich wird die Idee, eine Bakterienkolonie in einem Patienten zu implantieren, jedoch auf Widerstand der medizinischen Regulierungsbehörden stoßen, ganz zu schweigen von der öffentlichen Meinung.

Alternativ ließen sich aber auch einige der körpereigenen Zellen trainieren, die Arbeit zu tun. Ähnlich dem veralteten Verfahren der Kardiomyoplastik, bei dem ein selten verwendeter oberer Rückenmuskel durchtrennt und um das Herz gewickelt wird, um dieses beim Pumpen von Blut zu unterstützen, könnten entsprechende Muskelfasern ,umgeschult’ werden, um einen elektromechanischen Generator anzutreiben. Mehr zu solchen Vorrichtungen weiter unten.

Im Februar 2014 ist zu erfahren, daß auch an der Osaka University und der Tokyo University of Agriculture and Technology daran gearbeitet wird, energetisch selbstbetriebene Cyborg-Schaben zu entwickeln, die dabei helfen sollen, Katastrophenopfer zu lokalisieren.

Die japanischen Wissenschaftlern zeigen eine kleine Trehalose-Brennstoffzelle, mit welcher die Insekten in ein drahtloses Sensornetzwerk mit eigener, batterieloser Stromversorgung verwandelt werden können, und dies zu einem Bruchteil der Kosten und des Wartungsaufwands im Vergleich zu den sonst üblichen Netzwerken.

Die Körperflüssigkeit mit der Trehalose strömt durch den Prozeß der Diffusion in ein kleines, nadelförmiges Rohr, das in den Rumpf des Insekts eingesetzt und mit einem Tank verbunden ist. Dort wandeln Enzyme die Trehalose in Glukose, die dann von den Elektroden oxidiert wird. Tests mit 3D-gedruckten Prototypen ergeben, daß eine der kleinen, aber kräftigen Schaben bis zu 50,2 μW Strom erzeugen kann.

Die Meldung, daß auch Kaninchen Bio-Brennstoffzellen implantiert bekommen haben, ließ sich bislang allerdings nicht verifizieren.

 

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