Strom erzeugen mit Viren

Berkeley (USA) – Heutzutage gibt es vielfältige Methoden, elektrische Energie zu gewinnen – von Wind- und Wasserkraft, über Kernspaltung oder Verbrennung von Kohle bis hin zur Photovoltaik. Sie alle basieren auf ganz unterschiedlichen physikalischen Prinzipien. Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California erzeugen einen elektrischen Strom aus sogenannten Bakteriophagen, einer bestimmten Gruppe von Viren. Wie sie in der Zeitschrift Nature Nanotechnology berichten, nutzen sie das Prinzip der Piezoelektrizität, indem sie mechanische in elektrische Energie umwandelten. 

Zu sehen sind die Hände eines Forschers, eine Hand hält eine silberfarbene Schale mit der Elektrode, mehreren Kabeln und einem länglichen LCD-Bildschirm. Der Zeigefinger der anderen Hand drückt auf die Elektrode, auf dem LCD-Bildschirm erscheinen zwei blaue Striche. Im Hintergrund ist ein Computerbildschirm mit verschiedenen Mikroskopaufnahmen zu sehen.
Elektrode mit Viren

Die Wissenschaftler um Byung Yang Lee entwickelten hierzu eine briefmarkengroße Elektrode, die sie mit einem dünnen Film des Virus M13 beschichteten. Die M13-Bakteriophage hat eine längliche, stab-ähnliche Form und ist von einer helixartigen Proteinstruktur umgeben. Diese verformt sich unter Druck so, dass sich Dipole ausbilden und zu einer messbaren elektrischen Spannung führen. Um die Piezoelektrizität noch zu verstärken, manipulierten die Forscher die Bakteriophagen: Sie fügten negativ geladene Aminosäuren an ein Ende der Proteinstruktur und konnten so die Ladungsdifferenz und damit die elektrische Spannung zwischen den Enden der Proteinstruktur erhöhen. Weiterhin schichteten sie mehrere solcher dünnen M13-Filme übereinander. Drückten sie dann mit ihren Fingern auf die Elektrode, erreichten sie einen Strom von sechs Nanoampere und eine Spannung von 400 Millivolt. Dieser Strom reichte aus, um einen kleinen LCD-Bildschirm zu steuern.

Der Vorteil des piezoelektrischen Virus – der typischerweise Bakterien befällt – liegt einerseits darin, dass sich die Viren von selbst in dünnen Filmen anordnen. Dadurch lassen sich solche kleinen Stromgeneratoren relativ leicht herstellen. Zudem vermehrt sich M13 innerhalb weniger Stunden um einige Millionen Viren. Somit hätte man einen großen Vorrat an piezoelektrischem Material. 

Die Wissenschaftler hoffen nun, das Prinzip zu optimieren und ihre Entdeckung der stromerzeugenden  M13-Bakteriophage eines Tages für die Mikroelektronik nutzen zu können. Noch reichen die erzeugten Ströme und Spannungen nicht für den alltäglichen Gebrauch aus.