Stromquelle
Das Zitteraal-Kraftwerk: Wie der Herzschrittmacher eine natürliche Stromquelle bekommt

Eine bionische Stromquelle ahmt ein natürliches elektrisches Organ nach und könnte in Zukunft implantierte Herzschrittmacher antreiben.

Jan Oliver Löfken
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Die natürliche Stromquelle des Zitteraals ahmten nun Wissenschafter aus der Schweiz und den USA nach.

Die natürliche Stromquelle des Zitteraals ahmten nun Wissenschafter aus der Schweiz und den USA nach.

KEYSTONE/WALTER BIERI

Mit Spannungspulsen von bis zu 800 Volt tötet der Zitteraal seine Beute und verteidigt sich gegen Räuber. Sein elektrisches Organ besteht aus Tausenden winzigen Elementen, den Elektrozyten. Diese natürliche Stromquelle ahmten nun Wissenschafter aus der Schweiz und den USA nach. Wie sie in der Fachzeitschrift «Nature» berichten, konnten sie mit ersten Prototypen elektrische Spannungen von bis zu 110 Volt erzeugen.

«Der Zitteraal polarisiert Tausende Zellen gleichzeitig, um die hohen Spannungen zu erzeugen», sagt Max Shtein von der University of Michigan in Ann Arbor. In diesen Elektrozyten konzentrieren sich abwechselnd Kalium- und Natriumionen, jeweils mit hauchdünnen Membranen voneinander getrennt.

Der Zitteraal aktiviert bei einem Angriff oder auf der Jagd die Elektrozyten durch Muskelbewegungen: Die Membranen werden für die elektrischen Ladungsträger durchlässig. Jeder einzelne Elektrozyt baut so eine elektrische Spannung von etwa 150 Millivolt auf. Mit dem gesamten elektrischen Organ entstehen die für kleine Fische tödlichen Spannungspulse mit mehr als 600 Volt bei einer Stromstärke von rund einem Ampere.

Die Strom erzeugenden Elektrozyten bauten Shtein und seine schweizerischen Kollegen von der Universität Freiburg mit einem 3-D-Druckverfahren nach. Auf einer rollbaren und transparenten Kunststoffschicht druckten sie knapp 2500 Noppen aus einem weichen Hydrogel mit je einem Durchmesser von drei Millimetern. Immer abwechselnd war in den Hydrogel-Noppen mal sehr viel, mal fast gar kein Natriumchlorid gelöst.

War die Noppenfolie flach ausgelegt, berührten sich die einzelnen Noppen nicht. Nun legten die Forscher darauf eine zweite Noppenfolie genau so, dass sich immer abwechselnd Noppen mit hohen und geringem Salzanteil berührten. Durch die Kontaktflächen konnten nun die Ionen wandern und so einen Stromfluss erzeugen. So liess sich Strom mit 110 Volt Spannung mit einer Leistung von 27 Milliwatt pro Quadratmeter messen.

Minikraftwerke für Sensoren

In einem weiteren Prototyp ihrer Zitteraal-Stromquelle nutzten die Schweizer und amerikanischen Forscher die japanische Origami-Falttechnik. Entfaltet, erzeugte dieses Modul keinen Strom. Zusammengefaltet, berührten sich abwechselnd die Noppen mit den unterschiedlichen Salzkonzentrationen, und wieder entstand ein Stromfluss. Heute reicht die Stromausbeute aus, um einzelne Leuchtdioden zu betreiben. Mit einer optimierten Anordnung von noch mehr und vielleicht auch kleineren Noppen könnten weiche Minikraftwerke entstehen, die genug Strom für implantierte Sensoren, Insulinpumpen oder Herzschrittmacher liefern. (WA)

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