Een batterij die gevoed moet worden in plaats van opgeladen? Dit is precies wat Zwitserse wetenschappers hebben bereikt met hun 3D-geprinte, biologisch afbreekbare schimmelbatterij. De levende batterij zou stroom kunnen leveren aan sensoren voor landbouw of onderzoek in afgelegen gebieden.
Als het werk klaar is, verteert het zichzelf van binnenuit.
Schimmels zijn een bron van fascinatie. Dit rijk van het leven – dat nauwer is verwant aan dieren dan aan planten – omvat een enorme verscheidenheid. Alles is hier te vinden: van eetbare paddenstoelen tot schimmels, van eencellig leven tot het grootste organisme op aarde, van ziekteverwekkende ziekteverwekkers tot superhelden die medicijnen produceren. Nu hebben Empa-onderzoekers een andere vaardigheid uit schimmels gehaald: het opwekken van elektriciteit.
Schimmels zijn nog steeds onderbelicht op het gebied van materiaalkunde. Afbeelding: Empa
Als onderdeel van een driejarig onderzoeksproject hebben onderzoekers voor cellulose en houtmaterialen een functionerende schimmelbatterij ontwikkeld. De levende cellen produceren niet heel veel elektriciteit, maar genoeg om bijvoorbeeld een temperatuursensor meerdere dagen van stroom te voorzien. Dergelijke sensoren worden gebruikt in de landbouw of in milieuonderzoek. Het grootste voordeel van de schimmelbatterij: in tegenstelling tot conventionele batterijen is deze niet alleen volledig niet-toxisch, maar ook biologisch afbreekbaar.
Strikt genomen is de cel geen batterij, maar een zogenaamde microbiële brandstofcel. Zoals alle levende wezens zetten micro-organismen voedingsstoffen om in energie. Microbiële brandstofcellen maken gebruik van dit metabolisme en vangen een deel van de energie op als elektriciteit. Tot nu toe werden ze vooral aangedreven door bacteriën. Maar nu zijn twee soorten schimmels gecombineerd. De stofwisseling van de twee soorten schimmels vult elkaar aan: aan de anodezijde bevindt zich een gistschimmel waarvan de stofwisseling elektronen afgeeft. De kathode wordt gekoloniseerd door een witrotschimmel, die een speciaal enzym produceert, waardoor de elektronen kunnen worden opgevangen en uit de cel kunnen worden geleid.
De schimmels worden niet in de batterij "geplant", maar zijn vanaf het begin een integraal onderdeel van de cel. De componenten van de schimmelbatterij worden vervaardigd met behulp van 3D-printen. Hierdoor kunnen de onderzoekers de elektroden zo structureren dat de micro-organismen zo gemakkelijk mogelijk bij de voedingsstoffen kunnen. Om dit te doen, worden de schimmelcellen door de drukinkt gemengd.
De met raster bedrukte elektrode bevat de schimmel die wordt gebruikt in het anodecompartiment van de batterij. Afbeelding: Empa
Dankzij de uitgebreide ervaring van hun laboratorium in het 3D-printen van zachte, biobased materialen, konden de onderzoekers een geschikte inkt op basis van cellulose produceren. De schimmelcellen kunnen de cellulose zelfs als voedingsstof gebruiken en zo helpen om de batterij na gebruik af te breken. Hun favoriete voedingsbron zijn echter eenvoudige suikers, die aan de batterijcellen worden toegevoegd. De schimmelbatterijen kunnen in gedroogde toestand worden bewaren en op locatie worden geactiveerd door simpelweg water en voedingsstoffen toe te voegen.
De onderzoekers zijn nu van plan om de schimmelbatterij krachtiger en duurzamer te maken en om te zoeken naar andere soorten schimmels die geschikt zijn om elektriciteit te leveren.
Empa-wetenschapper Gustav Nystroem met de schimmelbatterij die is ingekapseld in bijenwas. Afbeelding: Empa
