TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Biologische Systeme

Pflanzen

Strom aus Pflanzen und ihren Früchten zu gewinnen, ist inzwischen ein eine bekanntes und weit verbreitetes Schulexperiment, bei dem Zitronen, Kartoffeln oder andere Objekte zum Einsatz kommen.

Einer der ersten, welche die Technologie wissenschaftlich untersuchen, ist der Chemieingenieur Adam Heller an der University of Texas in Austin, der spezielle Komposit-Elektroden und leitfähige Gele entwickelt, um damit eine in-vivo Bio-Brennstoffzelle zu konstruieren. Hellers frühere Studien hatten in den 1960er Jahren zur Entwicklung der ersten Neodym-Flüssigkeits-Laser geführt, und später zu den weltweit hergestellten Lithium-Thionylchlorid-Batterien mit mehr als 20 Jahren Haltbarkeit. In den 1980er Jahren befaßt er sich dann mit Solarzellen und Photoelektroden.

Im Jahr 2003 demonstriert Heller in einer Traube ein nur 1 cm langes und 4 mm breites Gerät, das theoretisch 1 – 3 Wochen lang bis zu 1 mW produziert. Im praktischen Versuch werden immerhin 1 Woche lang 1 - 2 μW bei 0,5 V erreicht. Hellers Firma TheraSense Inc. mit Sitz in Alameda, Kalifornien, erhält im gleichen Jahr 2003 das Patent für die biologische Brennstoffzelle (US-Nr. 6.531.239, angemeldet 2001).

Eine durch ihre Schlichtheit besonders ästhetische Umsetzung wird erstmals im November 2008 im City Eco Lab auf der Biennale Internationale Design im französischen Saint-Étienne – und anschließend auf diversen weiteren Ausstellungen gezeigt.

Das Design der Citrus-Clock stammt von Florian Dussopt und Julie Girard aus dem Anna Gram Studio und soll mit der Energie einer Zitrone, deren Hälften auf die Elektroden aus Zink und Kupfer gesteckt werden, für eine Woche oder länger laufen.

Die Energie kommt dabei natürlich aus der chemischen Veränderung in dem Zink, wenn sich dieser in der pflanzlichen Säure auflöst – und nicht aus der Zitrone oder den anderen Früchten.

Über eine Umsetzung, bei der Tomaten den gewünschten Strom liefern, wird im April 2010 berichtet, als auf der Milan Design Week eine winzige LED-Tischlampe namens Still Light vorgestellt wird, deren Betrieb durch ebendieses Gemüse erfolgt.

Das Hybridsystem, das organische und Metallteile in einer einzigen elektrischen Schaltung integriert, stammt aus dem israelischen d-VISION-Praktikum für Produktentwicklung und Industriedesign der Firma Keter Ltd. Die Stromleiter zwischen den Tomaten und der LED-Tischlampe sind aus reinem Gold gefertigt, während die stromerzeugende elektrochemische Reaktion durch Elektroden aus Kupfer und Zink erfolgt, die in den Tomaten plaziert sind.

Im gleichen Jahr stellt die Yissum Research Development Company Ltd., die als Technologietransfer-Stelle der Hebrew University of Jerusalem (HUJ) dient, eine feste, organische Batterie vor, die auf Kartoffeln basiert und nun als einfache, nachhaltige und kostengünstige Lösung zur Deckung des Strombedarfs in Teilen der Welt angeboten wird, in denen eine elektrische Infrastruktur fehlt.

Die Forscher um Prof. Haim D. Rabinowitch und seinen Kollegen Prof. Boris Rubinsky an der University of California, Berkeley hatten bei ihrer Suche nach Methoden zur Erzeugung von elektrischer Energie für die Eigenstromversorgung implantierter, medizinischer elektronischer Geräte herausgefunden, daß sich behandelte Kartoffelknollen mittels einer verbesserten Salzbrücke als billige, grüne Energiequelle nutzen lassen, wobei auch hier Kupfer- und Zinkelektroden zum Einsatz kommen.

Das Neue daran ist im Grunde nur, daß die Wissenschaftler im Zuge ihrer Arbeit entdecken, daß ein Kochen der Kartoffeln vor ihrem Gebrauch die elektrische Leistung gegenüber unbehandelten Kartoffeln um das bis zu 10-fache erhöht und zudem erlaubt, die Batterie für Tage und sogar Wochen zu betreiben. Die wissenschaftliche Erklärung dafür bildet die Reduzierung des internen Salzbrücken-Widerstands der Kartoffel-Batterie.

Die Fähigkeit, Low-Power-Strom zu erzeugen und zu nutzen, wird mittels einer Kartoffel-betriebenen LED demonstriert. Eine Kosten-Analyse zeigt, daß die Batterie Strom erzeugt, der 5 – 50 mal billiger ist als der aus handelsüblichen 1,5 Volt Zellen, und mindestens sechs mal wirtschaftlicher als die in den Entwicklungsländern häufig eingesetzten Petroleumlampen. Weshalb Yissum die Technologie für wirtschaftlich benachteiligte Teile der Welt frei zugänglich macht. Wobei im Jahr 2016 auf der Yissum-Homepage davon allerdings nichts mehr zu finden ist.

Das mischer'traxler studio von Katharina Mischer und Thomas Traxler in Wien präsentiert im Jahr 2010 mit der Nespresso Battery eine Mischung aus Kunst und Technik vor, die ebenfalls auf einer Frucht basieren – bzw. deren Resten, dem Kaffeesatz.

Im Rahmen der Vienna Design Week hatten die Firma Nespresso Österreich und die Neigungsgruppe Design fünf Studios zu einem Wettbewerb mit einem Fokus auf das wertvolle Material Aluminium eingeladen. Es ist anzunehmen, daß dahinter das Interesse stand, der Kritik an der neu losgetretenen Abfall-Lawine aus leeren Alu-Kapseln, etwas konstruktives entgegenzusetzen.

Die Installation Nespresso-Batterie – Gewinner des Wettbewerbs – zeigt die in den Kapseln verbliebene Energie, indem jeweils sechs miteinander verbundene Töpfe eine Uhr betreiben, wobei jede Kaffee-Batterie 1,5 - 1,7 V Leistung produziert. In den Töpfchen befinden sich verbrauchte Nespresso-Kapseln, deren Aluminium als Anode wirkt, Kupferplatten als Kathode sowie Salzwasser als Elektrolyt. Und natürlich der Kaffeesatz.

Im April 2010 kursieren in den Blogs Berichte über eine interessante Werbekampagne, bei der ebenfalls Früchte zur Energieerzeugung eingesetzt werden.

Die internationale und äußerst kreative Werbeagentur DDB° nutzt die Energie von Orangen für ihre französische Tropicana-Kampagne ,Energie Naturelle’ - bei welcher die Hauptzutat des Produkts den Strom für die Plakatwand liefert, die es bewirbt.

Die Konstruktion der cleveren Plakatwand, in der sich schließlich Hunderte von Orangen meterhoch stapeln, dauert drei Monate und basiert auf einem Gitterwerk aus Kupfer- und Zink-Spitzen, die als Befestigungselemente dienen, um die Orangen an Ort und Stelle zu halten. Gleichzeitig bilden die Spitzen die Elektroden zur Stromabnahme aus der elektrochemischen Reaktion zwischen der Säure der Orangen als Katalysator und den beiden Metallen.

Indem die Neon-beleuchtete Plakatwand ein riesige, selbsterhaltende Batterie darstellt, kann sie überall aufgestellt werden, mit oder ohne Stromanschluß in der Nähe. Die Kampagne wird von einer Video-Anzeige begleitet, die den wissenschaftlichen Prozeß und den Bau der Orangen-Plakatwand zeigt. Die Botschaft lautet: „Wenn Orangen sogar eine Plakatwand mit Strom versorgen können, dann stellen Sie sich die Energie vor, die sie Ihrem Körper geben können!“

Im November 2012 werden in den Blogs einige Fotografien von Caleb Charland gezeigt, unter denen besonders das Bild einer Orangen-betriebenen Batterie hervorsticht.

Der Profi-Fotograf, dessen Werke in Sammlungen auf der ganzen Welt gezeigt werden, macht eine ganze Reihe von Bildern alternativer Batterien, die von Zitronensäure angetrieben genug Strom liefern, um eine kleine eingebettete LED-Lampe zu versorgen.

Für das hier abgebildete, außergewöhnliche Foto läßt der Künstler das Objektiv für volle 14 Stunden offen.    

Genau ein Jahr später, im November 2013, kursieren überall in den Fachblogs Meldungen über den ersten  Weihnachtsbaum, dessen Lichter von einer Rosenkohl-Batterie zum leuchten gebracht werden.

Das Ingenieure- und Wissenschaftler-Team, die hinter dem Projekt steht, wählte dieses Gemüse aufgrund von Umfrageergebnissen, denen zufolge mehr als zwei Drittel der Kinder in Großbritannien Rosenkohl zu Weihnachten so sehr hassen, daß er als Teil der traditionellen Festes eigentlich entfernt werden sollte.

Das Exponat der Big Bang UK Young Scientists & Engineers Fair besteht aus 5 Zellen mit jeweils 200 Köhlchen, die gemeinsam 63 V erzeugen und damit 100 Hochleistungs-LEDs zum weihnachtlichen Erstrahlen bringen.

In jedem einzelnen Rosenkohl stecken Kupfer- und Zinkelektroden, und die Energie wird in einem Kondensator zwischengespeichert. Auf einem separaten Display kann angezeigt werden, wie viel Energie durch das Gemüse erzeugt wird.

Im Januar 2014 veröffentlichen die Studenten Teja M. Mani, M. Basha und N. Balanaidu vom Prakasam Engineering College in Kandukur, Indien, eine Studie über die Nutzung von Aloe Vera zur Stromproduktion.

Die elektrische Eigenschaften der Pflanze finden sich in der Gallertsubstanz ihrer Blätter, das zu etwa 99,3 % aus Wasser besteht, während die restlichen 0,7 % Feststoffe sind – zu einem großen Teil Polysaccharide aus Glucose und Mannose.

In ihrem Experiment führen die Studenten an zwei Seiten Kupfer- bzw. Zink-Nadeln in den Blattrand ein, die über Kupferdrähte mit einem Multimeter verbunden sind. Dabei messen sie einen zunhmenden Volt-Betrag von 0,2 V zu Beginn, bis zu 0,98 V nach 25 min.

Im März 2016 erscheint in den Blogs ein bebildeter Bericht, dem zufolge es ausreichen soll, mehrere Kupfer- und Zinknägel in eine Zitrone zu stecken und diese miteinander zu verdrahten, um einen Zündfunken zu erzielen, mit dem sich ein Feuer anfachen läßt. Tatsächlich erweist sich die Geschichte als Fake, wie im Juli zu erfahren ist – was man auch leicht nachvollziehen kann, wenn man weiß, daß ein Funken zwei AA-Batterien erfordert... was mindestens einem ganzen Einkaufbeutel voller Zitronen entspricht.

Im übrigen sei angemerkt, daß diverse Blütenpflanzen zu aktiver elektrischer Orientierung befähigt sind, was auch schon zur industriellen elektrostatischen Bestäubung genutzt wird. Da viele Pollen statische Ladungen tragen, kann die Pflanze die Ankunft durch Insekten in der Blüte registrieren und die Blütenöffnung verbessern, wobei die Pflanze das von ihr erzeugte elektrische Feld innerhalb von Sekunden ändern kann, um auf einfallenden Pollen oder Insekten zu reagieren. Über eine technische Nutzung dieses Phänomens zur Energiebeschaffung habe ich allerdings bislang nichts finden können.

ph-Wert

Im März 2006 ist zu erfahren, daß das Familienunternehmen MagCap Engineering Inc. in Canton, Massachusetts, ein System entwickelt hat, das Strom aus Bäumen gewinnt. Die bereits 1969 von John C. Lagadinos gegründete Firma ist hauptsächlich als Hersteller von Radarpuls-Komponenten und elektronische Subsystemen für die NASA, das Militär und die Industrie bekannt.

Die beschriebene Technik klingt sehr einfach, denn es werden nur ein Nagel in den Baum und ein Leiter in den Boden eingeschlagen. Dadurch wird eine schwache, aber beständige Ladung festgestellt, die durch einen Draht läuft, der vom Baum in die Erde führt. Mit dem Strom können 2,4 V NiCad-Batterien aufgeladen und LEDs betrieben werden.

Während MagCap ein entsprechendes Patent anmeldet, da die Firma hofft, damit mittelfristig auch Hybrid-Autobatterien aufladen und Straßen und Wege beleuchten zu können, untersucht das Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge das Phänomen bei extrem kaltem Wetter von -20°C. Dabei hämmern die Wissenschaftler Nägel in einen Baum in der Nähe des MIT-Campus, die sie über Drähte mit einem kleinen Bolzen aus Kupfer verbinden, der etwa 60 cm tief in die gefrorene Erde getrieben wird.

Nach einer 90-minütigen Testreihe, bei der Aluminium- und Kupfer-Nägel auch an anderen Oberflächen angebracht werden – darunter ein Maschendrahtzaun sowie eine Tasse mit heißem Kaffee – sind die Forscher der Ansicht, das der erzeugte elektrische Strom eher etwas mit den beteiligten Metallen zu tun hat. Sie vergleichen das Phänomen mit einer sehr großen, sehr schwachen Batterie, die das elektrische Potential zwischen verschiedenen Metallen verwendet, bis diese Metalle aufgebraucht sind.

MagCap, welche die Experimente des MIT finanziert, ist allerdings nicht so sicher, daß diese Beurteilung zutrifft. Insbesondere, da man dort im vergangenen Jahr diverse Tests durchgeführt hatte, von denen einige der Batterie-Theorie widersprechen. Eine alternative Erklärung stammt von dem Erfinder Gordon W. Wadle aus Thomson, Illinois, der die Technik eigenen Angaben zufolge im Jahr 1996 entdeckt und 2001 zu MagCap gebracht hat.

Wadle begründet seine Sichtweise mit der Tatsache, daß der gesamte Strom von Blitzen nicht nur aus den Wolken, sondern auch aus dem Boden kommt. Um festzustellen, ob der erdgebundene Anteil irgendwie angezapft werden könnte, schlägt er vor seinem Haus in Kalifornien einen normalen Nagel in einen Baum und hämmert eine Metallspitze in die Erde, die er beide mit einem Voltmeter verbindet – auf dem er zu seinem Erstaunen mehr als 1 V messen kann. Skeptische Freunde und Experten überzeugen Wadle jedoch davon, daß dies nur ein Zufall sei...

Als er das gleiche Experiment viele Jahr später vor seinem neuen Zuhause in Illinois erneut durchführt und die gleichen Ergebnisse erhält, läßt ihn die Sache nicht mehr los. Bei Ahorn, Eiche und Fichte erreicht er 0,1 V, während sein Neffe auf den Azoren, den er um eine Vergleichsmessung bittet, sogar 1,2 V erzielt. Nun ist Wadle überzeugt, daß diese Energie von irgendwo ausgeht. Im Jahr 2005 meldet er gemeinsam mit Kris J. Lagadinos und unter dem Namen der Firma WGLK LLC das Patent ,Power from a non-animal organism’ an (US-Nr. 7.466.032, erteilt 2008; vgl. US-Nr. 7.667.340, angemeldet 2007, erteilt 2010).

MagCap, das sich zwischenzeitlich in Pulse Systems Inc. umbenannt hat, hat einen weiteren interessanten Markt für den Baumstrom ausgemacht: Die Forstverwaltung der USA nutzt eine große Zahl automatischer Wetterstationen, um damit unter anderem auch Vorhersagen über die Entwicklung und den Weg von Waldbränden machen zu können. Aufgrund des hohen Preises und des Wartungsaufwands dieser Wetterstationen ist ihr Einsatz jedoch beschränkt.

Mitte 2008 studieren daher die Wissenschaftler des Center for Biomedical Engineering (CBE) am MIT um Christopher J. Love und Andreas Mershin die Möglichkeit, ob nicht ein Netzwerk aus Bäumen genügend Elektrizität produzieren könnte, um entsprechende Funksensoren mit Strom zu versorgen. Nachdem das Forschungsteam zeigen kann, daß auch Elektroden aus dem gleichen Metall einen Strom verursachen, untersucht es eine ganze Reihe an Erklärungsmodellen, wie Bäume diese Elektrizität produzieren, von denen viele als recht exotisch bezeichnet werden.

Schließlich erweist sich, daß es sich weder um einen elektrochemischen Redox-Prozeß handelt (wie er z.B. bei der ‚Kartoffelbatterie’ stattfindet, s.o.), noch um eingekoppelte Energie aus unterirdischen Kabeln, Rundfunkwellen oder anderen elektromagnetischen Einflußquellen. Statt dessen stellt sich heraus, daß die Stromproduktion aufgrund eines relativ simplen Phänomens erfolgt: dem Ungleichgewicht des ph-Wertes zwischen dem Baum und dem Erdreich, in dem dieser steht, was einem Ionen-Gefälle entspricht.

Love und Mershin veröffentlichen im August 2008 einen Bericht unter dem Titel ,Source of Sustained Voltage Difference between the Xylem of a Potted Tree and Its Soil’, in welchem sie von beständigen Unterschieden von 50 - 200 mV zwischen dem Xylem-Bereich eines intakten, eingetopftem Ficus benjamina, der in einem Faradayschen Käfig steht, und seinem Boden – bzw. zwischen seinen abgeschnittenen Zweigen und Böden und ionischen Lösungen mit verschiedenen standardisierten pH-Werten feststellen. Dabei werden identische Platinelektroden verwendet.

Die ersten Feldtests des drahtlosen Netzwerkes und der Batterie-ladenden ‚Bioenergie-Ernter’, welche nun von dem bereits 2005 von Stella J. Karavas, Chris J. Lagadinos und Christopher Love gegründeten und ebenfalls in Canton beheimateten Unternehmen Voltree Power Inc. hergestellt werden, beginnen im Frühjahr 2009 und zeigen schon Ende Juni zufriedenstellende Ergebnisse, bei denen bis zu 0,2 V erreicht werden.

Mittels sich langsam aufladender Pufferbatterien gelingt es, mit den Bioenergy Harvester genannten Systemen ausreichend Energie zu ernten, um die Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren viermal am Tag ihre Daten absenden zu lassen – oder auch sofort, falls es brennt. Dabei springt das Signal von einem Sensor zum nächsten, bis es eine Funk-Wetterstation erreicht, von wo aus die Daten über Satellit an das Kontrollzentrum in Boise, Idaho, gesendet werden. Vermarktet wird das Gesamtsystem unter dem Namen Early Wildfire Alert Network (EWAN).

Im September 2009 berichtet auch das renommierte US-Magazin New Scientist über den Baum-Strom. In diesem Artikel werden erstmals auch die Versuche von Forschern an der University of Washington in Seattle um Prof. Babak Parviz erwähnt, die einen elektronischen Schaltkreis entwickeln, der mit einem Baum als Stromquelle auskommt.

Eine auf dem Universitäts-Gelände verbreitete Ahorn-Art produziert eine Spanung, die bis zu einige Hundert Millivolt betragen kann. Um diese geringe Eingangsspannung nutzbar zu machen, konstruieren die Ingenieure einen Boost-Wandler, der Eingangsspannungen ab 20 mV auf eine Ausgangsspannung von 1,1 V konvertiert.

Im Gegensatz zu den MIT-Forschern glaubt Parviz jedoch, daß der Strom durch eine Signalübertragung innerhalb der Bäume erzeugt wird, ähnlich jener im menschlichen Körper, aber mit geringerer Geschwindigkeit. Möglicherweise sei der Fluß aufgelöster mineralischer Ionen in dem Xylem des Baumes involviert, jenem holzigen Leitgewebe, das dem Transport von Wasser und anorganischen Salzen durch den Baum dient.

Wie eine direkte und praktische Umsetzung dieser Erkenntnisse aussehen könnte, zeigt die schwedische, im norwegischen Stavanger lebende Designerin Theresa Harmanen im Jahr 2010.

Ihre Alma genannte Baum-Lampe ist ein innovatives Beleuchtungskonzept, das seine Energie direkt aus der Natur bezieht, ohne diese zu zerstören.

Die schwertförmigen Leuchten werden direkt in einen Baum eingesteckt und ernten und speichern dessen Energie durch den Einsatz langlebiger Dünnfilmbatterien ohne gefährliche Materialien. Nach Sonnenuntergang kann die geerntete Energie verwendet werden, um LED-Leuchten zu betreiben, deren Aktivierung durch Bewegungssensoren erfolgt. Die einzelnen Einheiten können entsprechend der Größe des Baumes angeordnet und bei Bedarf versetzt werden.

Über weitere Schritte in diesem Bereich wird erst im März 2012 berichtet, als Forscher der Queensland University of Technology (QUT) in Australien die Ergebnisse ihrer Experimente bekanntgeben, welche sie an sechs Standorten rund um Brisbane durchgeführt haben, darunter im Brisbane Forest Park, auf dem Daisy Hill und auf dem 287 m hohen Mount Coot-tha. Dabei geht es zwar nicht um eine Energiegewinnung, die Resultate könnten aber trotzdem für dieses Ziel relevant sein.

Das Team unter der Leitung von Prof. Lidia Morawska, an dem auch Rohan Jayaratne und Xuan Ling mitwirken, stellt hierbei fest, daß die positiven und negativen Ionenkonzentrationen in der Luft in stark bewaldeten Gebieten doppelt so hoch sind als bei offenen Grasflächen wie Parks. Die natürlichen Ionen in der Luft entstehen vor allem durch Ionisation aufgrund zweier Prozesse. Dies sind die Strahlung aus dem in der Luft vorkommenden Spurengas Radon sowie die kosmische Strahlung aus dem Weltraum.

Das Radon ist ein Nebenprodukt des radioaktiven Zerfalls von Radium, welches in winzigen Mengen in Gesteinen vorhanden ist und kontinuierlich aus dem Boden ,ausgeatmet’ wird. Da das Radium in Felsen auftritt und das Radon in Wasser löslich ist, ist Grundwasser besonders reich an Radon. Bäume wirken wiederum als Radon-Pumpen, um das Gas an die Oberfläche zu bringen und um es durch Transpiration in die Atmosphäre freizusetzen, indem Wasser durch das Wurzelsystem absorbiert und von den Blättern in die Atmosphäre verdampft wird. Dies trifft vor allem für Bäume mit tiefen Wurzelsystemen zu, wie zum Beispiel dem Eukalyptus.

Die QUT-Wissenschaftler gehen davon aus, daß die Bäume in einem Eukalyptuswald für bis zu 37 % des Radons in der Luft verantwortlich sind, wenn die Transpiration am höchsten ist. Dies hat möglicherweise erhebliche Auswirkungen auf die Atmosphäre, das Klima und die menschliche Gesundheit.

 

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