Die Brennstoffzelle für die Hosentasche, die Percival Zhang entworfen hat, birgt ein süßes Geheimnis: Sie erzeugt Strom durch die chemische Umwandlung von Zucker, und zwar von Maltodextrin. Das ist ein Gemisch verschieden langer Kohlenhydratmoleküle, das aus Stärke gewonnen wird. Mit diesem Zuckerwasser wird die Zelle befüllt. Aus der Reaktion mit Sauerstoff aus der Luft erzeugt sie dann Strom. Damit ließen sich zum Beispiel mobile Geräte mit Energie versorgen.
"Ein erstes Modell dieser Brennstoffzelle dürfte wohl in drei Jahren auf den Markt kommen. Als Anwendung haben wir Ladegeräte für Mobiltelefone ins Auge gefasst. Die könnte man mitnehmen und damit den Akku laden, wenn man unterwegs keinen Zugang zum Stromnetz hat."
Die Forscher der Universität "Virginia Tech" folgen dabei dem Vorbild der Natur. Denn auch der menschliche Körper bezieht seine Energie zum großen Teil aus Zucker, den er mithilfe von Enzymen verbrennt.
"Ein Enzym ist ein biologischer Katalysator. Man kann diese Enzyme nutzen, um ganz unterschiedliche chemische Reaktionen zu beschleunigen. Wir haben eine besondere Reaktionsfolge entworfen, bei der natürliche Enzyme Hand in Hand arbeiten – aber in einer Kombination, die in der Natur nicht vorkommt."
Eine Kaskade aus 13 Enzymen zerstückelt zunächst das Maltodextrin in einzelne Zuckerbausteine, in Glukosemoleküle, um diese dann weiter zu zerlegen, bis bloß noch Kohlendioxid und Wasser übrig bleiben. Elektronen werden dabei freigesetzt und über den Minuspol abgeleitet. Das Prinzip solch einer enzymatischen Brennstoffzelle ist nicht neu. Aber bisher hatten alle Vorgängermodelle dasselbe Problem: Die Energiedichte war eher gering. Das Zuckerwasser musste daher oft nachgefüllt werden.
Längere Betriebsdauer dank 24 Elektronen
"Die Experten haben in der Vergangenheit meist nur ein oder zwei Enzyme in solch einer Zelle genutzt. Damit konnten sie gerade einmal zwei Elektronen pro Glucoseeinheit gewinnen. Aber über unsere Enzymkaskade erhalten wir 24 Elektronen aus demselben Molekül. Wir können also gut das Zehnfache aus einer Füllung herausholen. Und deshalb hat unsere Zelle eine viel längere Betriebsdauer."
Auch im Vergleich mit Lithium-Ionen-Akkus schneidet die Zucker-Brennstoffzelle aus Virginia besser ab. Denn ihre Speicherkapazität, bezogen auf ihre Masse, ist rund 15 Mal höher als diejenige der Metall-Akkus, erläutert Percival Zhang.
"Ein anderer Vorteil besteht darin, dass sie sehr sicher ist. Denn wenn man eine Zelle mit Zuckerwasser befüllt, dann muss man sich keine Sorgen darum machen, dass sie in Flammen aufgehen oder explodieren könnte. Außerdem sind die Materialien biologisch abbaubar. Zucker und Enzyme, das sind alles natürliche Verbindungen."
Streng genommen gilt das allerdings nur für die eine Hälfte der Zelle, für den Minuspol, die Anode, wo der Zucker aufgespalten wird. Darauf weist Shelley Minteer hin, Expertin für enzymatische Brennstoffzellen an der University of Utah in Salt Lake City. Für den Pluspol, an dem der Sauerstoff aus der Luft zerlegt wird, brauchen die Forscher um Percival Zhang noch immer das Edelmetall Platin.
"Er hat sich bisher stark auf die Anode konzentriert. Aber eine Zelle hat immer zwei Pole. Für die Zukunft wird es daher wichtig sein, auch die Kathode weiter zu entwickeln, um auf Edelmetalle verzichten zu können. Die biologische Abbaubarkeit ist ja ein wichtiges Argument für solch eine Biobatterie. Der Übergang von einer Platinkathode zu einer aus Naturstoffen ist daher ganz entscheidend."
Auch dafür kommen Enzyme in Betracht, zum Beispiel sogenannte Laccasen, die in der Papierindustrie als sanftes Bleichmittel verwendet werden, sagt Zhang. Außerdem versucht der Forscher im Moment, die Langzeitstabilität der Biokatalysatoren zu verbessern. In drei Jahren, glaubt er, könnte seine Zuckerbrennstoffzelle marktreif sein.