Pilz‑Brennstoffzellen mit Hilfe von 3D‑Druck erstellt

Batterien sind die treibende Kraft hinter unserer technologisch fortgeschrittenen Gegenwart und Zukunft. Schließlich versorgen sie alles, von Fernbedienungen, Kameras, Handys, Laptops und Elektrofahrzeugen bis hin zu Geräten, Robotik und Energiespeicherung, mit Strom.

Angesichts der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Batterien ist ihr Marktvolumen auf $134.62 Milliarden im Jahr 2024 gewachsen und wird voraussichtlich bis 2030 mit einer durchschnittlichen Jahreswachstumsrate (CAGR) von 16,4 % weiter expandieren.

Da die Nachfrage nach Batterien stetig steigt, liegt der Fokus nun darauf, die Technologie zu verbessern, um eine höhere Energiedichte, bessere Sicherheit, längere Lebensdauer und kürzere Ladezeiten zu bieten.

Neben der Verbesserung der Batterieleistung liegt ein stärkerer Fokus nun auch auf der Reduzierung ihrer Umweltauswirkungen. Dies ist auf die zunehmende Menge an Elektroschrott zurückzuführen, die bis zum Ende dieses Jahrzehnts voraussichtlich 74,7 Mt erreichen wird, weil Elektronikgeräte mit Komponenten entsorgt werden, die entweder nicht leicht abbaubar oder nicht leicht recycelbar sind.

Gleichzeitig schwinden nicht erneuerbare Materialien rasch, was einen dringenden Bedarf an neuen nachhaltigen Energiequellen schafft, die effizient verarbeitet werden können und nur minimale Umweltauswirkungen haben.

Um dem schnellen Bedarf an grüner Elektronik gerecht zu werden, die nicht‑toxische, umweltfreundlichere und erneuerbare Materialien in ihren Komponenten verwendet, haben Forschende von Empa eine biologisch abbaubare Pilzbatterie entwickelt, die statt aufgeladen zu werden, gefüttert werden muss. Diese lebende, 3D‑gedruckte Batterie könnte Sensoren in der Landwirtschaft oder Forschung in abgelegenen Regionen mit Strom versorgen. Sobald diese Pilzbatterie ihre Arbeit erledigt hat, verdaut sie sich von innen.

Diese Bio‑Batterien oder mikrobiellen Brennstoffzellen (MFCs) nutzen den Redox‑Stoffwechsel von Mikroorganismen zur Energieerzeugung.

Mikroorganismen, die in diesen Brennstoffzellen eingesetzt werden, metabolisieren organische Stoffe wie Abwasser oder Zucker und nutzen bei deren Abwesenheit Lichtenergie und Photosynthese. Eine MFC besteht aus einer Anode und einer Kathode, die entweder durch eine Protonenaustauschmembran (PEM) getrennt oder in einem einkompartimentigen Gerät offen gelassen werden.

Neben Fernmess- und Umweltüberwachungsgeräten sind MFCs für Anwendungen wie tragbare Elektronik und biomedizinische Diagnostikgeräte von Interesse. Sie sind besonders vorteilhaft in autarken Anwendungen, die keinen Anschluss an das Hauptstromnetz benötigen.

Bakterielle, algale und archäale MFCs sind einige Typen. Bei pilzlichen MFCs wurden bisher Hefe‑ und Weißfäulnis‑Pilze untersucht, jedoch wurden sie bislang nicht kombiniert.

Pilze: Ein wachsendes Interessensgebiet

Der Schwerpunkt dieses dreijährigen Forschungsprojekts liegt auf Pilzen, die eukaryotische Organismen sind, das heißt, ihre Zellen besitzen membrangebundenen Organellen und klar definierte Zellkerne. Pilze gehören nicht zum Pflanzenreich und unterscheiden sich zudem von allen anderen Lebewesen.

Pilze sind die am leichtesten erkennbaren Pilze. Weitere Typen umfassen Hefen, Rostpilze, Schimmel und Schimmelpilze. Pilze sind tatsächlich überall: im Boden, in der Luft, in Seen, Meeren, Pflanzen, Tieren, Lebensmitteln und im menschlichen Körper. Zusammen mit Bakterien helfen sie, organische Substanz abzubauen und Sauerstoff, Kohlenstoff, Phosphor und Stickstoff in den Boden und die Atmosphäre freizusetzen.

Im Alltag werden sie häufig zur Herstellung von Brot, Wein, Bier und bestimmten Käsesorten sowie proteinreichen Lebensmitteln verwendet. Pilze leisten zudem wichtige Beiträge zur Krankheitsbekämpfung, sind jedoch gleichzeitig für pathogenverursachende Erreger verantwortlich.

Studien zu Pilzen haben uns grundlegendes biologisches Wissen vermittelt und bleiben ein Interessensgebiet für die Erforschung von Zell‑ und Molekularbiologie, Gentechnik und anderen grundlegenden Disziplinen der Biologie.

Im medizinischen Bereich sind Magic‑Mushrooms von besonderem Interesse, da sie Psilocybin enthalten, ein natürlich vorkommendes psychoaktives Alkaloid mit halluzinogenen Wirkungen. Wie wir in unserem jüngsten Artikel teilten, gibt es eine Flut von Forschungen, die den Einsatz von Psilocybin zur Behandlung mentaler und psychologischer Störungen untersuchen.

Die Fähigkeit von Pilzen, organische Materialien in nützliche Produkte zu verwandeln, hat ebenfalls großes Interesse an pilzbasierter Biotechnologie geweckt, die den Übergang zu einer bio‑basierten Kreislaufwirtschaft vorantreiben kann.

Durch die Bereitstellung von Lösungen zur Sicherung, Stabilisierung und Verbesserung der Nahrungsmittelversorgung für die wachsende Menschheit bei gleichzeitiger Reduzierung von Treibhausgasemissionen hat die pilzbasierte Biotechnologie das Potenzial, einen bedeutenden Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels zu leisten.

Während Pilze in verschiedenen Bereichen viel Aufmerksamkeit erhalten, lässt sich das Gleiche nicht für das Feld der Materialwissenschaft sagen, wo sie nach wie vor unterforscht und selbstverständlich untergenutzt sind – das könnte sich nun ändern, da Forschende Pilze zur Stromerzeugung einsetzen.

Die neueste Studie zeigt die Entwicklung einer funktionierenden Pilzbatterie, die zwar nicht viel Strom erzeugt, aber genug, um einen Temperatursensor mehrere Tage lang zu betreiben. Derartige Sensoren werden in der Umweltforschung oder in der Landwirtschaft eingesetzt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien ist diese Pilzbatterie völlig ungiftig und biologisch abbaubar, was sie zu einer umweltfreundlichen Option macht.

BioBatterie: Grüne Elektronik ist da

Die organisch‑basierte Batterie des Schweizerischen Bundeslabors für Materialwissenschaft und -technologie, einer forschungsorientierten Einrichtung für anwendungsbezogene Materialwissenschaft und -technologie, hat den Pilzstoffwechsel und die damit verbundene Energieerzeugung ermöglicht.

Quelle: ACS

Die hier lebende Zelle ist eine mikrobielle Brennstoffzelle. Mikroorganismen, wie jedes Lebewesen, wandeln Nährstoffe in Energie um, und mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) nutzen diesen Stoffwechsel, um Energie zu erzeugen und einen Teil davon als Strom zu speichern.

Mikrobielle Brennstoffzellen wurden bisher hauptsächlich von Bakterien betrieben, bis Empa‑Forscher zum ersten Mal „zwei Pilzarten kombinierten“, deren Stoffwechsel sehr gut zusammenarbeitet, „um eine funktionierende Brennstoffzelle zu erzeugen.“

Die Forschenden setzten auf der Anodenseite einen Hefepilz ein, dessen Stoffwechsel Elektronen freisetzt, und auf der Kathodenseite einen Weißfäulnispilz, der ein spezielles Enzym produziert, das die Erfassung der Elektronen ermöglicht und anschließend aus der Zelle geleitet wird.

Die Forschenden integrierten die Pilze von Anfang an als integralen Bestandteil der Zelle in die Batterie. Sie nutzten 3D‑Druck, um die Komponenten der Pilzbatterie herzustellen, was ihnen volle geometrische Freiheit gab, Geräte beliebiger Form und Gestalt zu drucken, die nahtlos mit anderen elektronischen Bauteilen integriert werden können.

Auf diese Weise konnten sie die Elektroden so strukturieren, dass Mikroorganismen die Nährstoffe möglichst leicht erreichen können.

Der Ansatz bestand darin, Pilzzellen in die Drucktinte zu mischen. Das bedeutet, die Herausforderung zu meistern, nicht nur ein Material zu finden, in dem die Pilze gut wachsen, sondern auch die Tinte zu extrudieren, ohne die Zellen zu töten.

“Natürlich wollen wir, dass sie elektrisch leitfähig und biologisch abbaubar ist.”

– Gustav Nyström, Leiter des Labors für Zellulose‑ und Holzmaterialien

Um sie elektrisch leitfähig zu machen, fügte das Team der Tinte Ruß und Graphitflocken hinzu.

Mit umfangreicher Erfahrung im 3D‑Druck weicher, bio‑basierter Materialien konnte das Team eine zellulosebasierte Tinte (Hydrogel‑Pilztinten) herstellen, die für die Aufgabe geeignet war. Die Studie stellte fest, dass die Nutzung von Zellulose für den 3D‑Druck pilzbasierter Elektroden ein neuer Weg ist, die Stoffwechselaktivität von Pilzen für potenzielle Anwendungen in elektrochemischen Geräten zu kanalisieren.

Zellulose ist ein reichlich vorhandenes, kostengünstiges, erneuerbares und biologisch abbaubares Polymer, das aus Algen, Bakterien, Holz und Tunikaten gewonnen wird. Sie wurde bereits erfolgreich zur Herstellung verschiedener Arten organischer Elektronik verwendet.

Die Pilzzellen könnten die Zellulose sogar als Nährstoff nutzen, was beim Abbau der Batterie nach Gebrauch hilft. Ihre Hauptnährstoffquelle waren jedoch einfache Zucker, die später zu den Batteriezellen hinzugefügt werden.

“Man kann die Pilzbatterien im trockenen Zustand lagern und sie vor Ort aktivieren, indem man einfach Wasser und Nährstoffe hinzufügt.”

– Empa‑Forscherin Carolina Reyes, ausgebildete Mikrobiologin

Laut der Studie können diese Biobatterien mehrere Tage lang 300 bis 600 mV erzeugen. Durch das parallele Verbinden von vier Batterien kann ein kleiner Sensor 65 Stunden lang betrieben werden.

Das Team hatte in früheren Arbeiten Materialien, Tinten und Geräte für einen neuen Zweig der grünen Elektronik entwickelt, darunter Displays, Sensoren, Batterien und Superkondensatoren. Mit dieser Studie erweiterten sie die Möglichkeiten ihrer vorherigen Experimente, bei denen sie Geräte bereitstellten, die elektrische Energie speichern und in einem umweltverträglichen System erzeugen konnten.

In der nächsten Phase wollen die Forschenden die Pilzbatterie leistungsfähiger und langlebiger machen sowie das Gerät vollständig 3D‑druckbar gestalten. Sie werden zudem weitere Pilzarten untersuchen, die besser geeignet sind, Strom zu liefern und ihr Gerät für den praktischen Einsatz im Feld vorzubereiten.

Werfen wir nun einen Blick auf einige wichtige Akteure im Bereich der Batterien und des 3D‑Drucks.

1. Proto Labs, Inc.

Ein Anbieter umfassender digitaler Fertigungsdienstleistungen, Proto Labs (PRLB ) spezialisiert sich auf fortschrittliche Fertigung und 3D‑Druckservices, um kundenspezifische Bauteile für seine Kunden zu fertigen.

Proto Labs begann dieses Jahr mit der Erweiterung zu einer Full‑Service‑Produktion, die das Unternehmen als „eine natürliche Weiterentwicklung“ bezeichnet. Dies führt zu besserer Qualitätskontrolle und besseren Preisoptionen, während der Fokus auf Branchenzertifizierungen liegt, sodass das Unternehmen Kunden von Anfang bis Ende bedienen kann. Der Auslöser für diese Expansion, Eric Utley, Leiter der 3D‑Druck‑Anwendungsentwicklung bei Proto Labs, war die Übernahme von 3D Hubs im Jahr 2021, die ihr Lösungsportfolio erweiterte.

Da Nachhaltigkeit zu einem drängenden globalen Thema wird und Verbraucher, Unternehmen und Regulierungsbehörden bestrebt sind, ihren ökologischen Fußabdruck durch die Nutzung recycelter Materialien zu verringern, hat Proto Labs zudem Kunststoffmaterialien mit recyceltem Inhalt in sein CNC‑Angebot aufgenommen. Dies ermöglicht es den Nutzern, für Prototypen auf unverbrauchtes Material zu verzichten, ohne zusätzliche Kosten.

Mit einer Marktkapitalisierung von 937,75 Millionen US‑Dollar werden die Aktien von Proto Labs derzeit zu 38,26 US‑Dollar gehandelt, ein Rückgang von 2,12 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 0,94 und ein KGV (TTM) von 40,69.

Für das dritte Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatz von 125,6 Millionen US‑Dollar, ein Rückgang von 3,9 % gegenüber dem Rekordumsatz von 130,7 Millionen US‑Dollar im gleichen Quartal des Vorjahres. Der Nettogewinn für das Quartal betrug 7,2 Millionen US‑Dollar. Gleichzeitig war der operative Cashflow der höchste seit 2020, bevor Proto Labs 3D Hubs übernommen hatte.

Das nicht‑GAAP‑Ergebnis je Aktie für das dritte Quartal betrug 0,47 US‑Dollar, während das seit Jahresbeginn bereinigte EPS um über 10 % gegenüber dem Vorjahr bei unverändertem Umsatz gestiegen sein soll. Insgesamt betreute Protolabs 22.511 Kundenkontakte. Der Bestand an Barmitteln und Investitionen betrug zum 30. September 2024 117,6 Millionen US‑Dollar.

2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)

Das in China ansässige BYD ist hauptsächlich in der Herstellung und dem Verkauf von Transportausrüstung tätig, ist jedoch auch im Bau von wiederaufladbaren Batterien, Photovoltaikprodukten und Alltags‑Elektronikgeräten aktiv.

Mit einer Marktkapitalisierung von 105,57 Milliarden US‑Dollar werden die BYD‑Aktien derzeit zu 33,33 US‑Dollar gehandelt, ein Rückgang von 1,99 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 1,66 und ein KGV (TTM) von 20,08, während die Dividendenrendite 1,31 % beträgt.

Laut den neuesten veröffentlichten Daten belegt BYD den zweiten Platz mit einem Anteil von 23,19 % an der installierten Leistungskapazität von Batterien in China, die 17,49 GWh erreichte. Die gesamten Batterieninstallationen im Land beliefen sich gleichzeitig auf 75,4 GWh, ein Anstieg von 57,3 % gegenüber dem Vorjahr. Für das Gesamtjahr 2024 belegte BYD den zweiten Platz mit einem Anteil von 24,74 %, während CATL seine Position mit einem Anteil von 45,08 % beibehielt.

Als führender Hersteller wiederaufladbarer Batterien bietet BYD Lithium‑Ion‑Batterien, NiMH‑Batterien und NCM‑Batterien an, die ein breites Anwendungsspektrum haben, darunter Unterhaltungselektronik, Fahrzeuge mit neuer Energie und Energiespeicherung. Der entscheidende Punkt ist, dass das Unternehmen die gesamte Lieferkette besitzt, was ihm eine bessere Kontrolle über Qualität und Kosten ermöglicht.

BYD steht nun bereit, in diesem Jahr die neue Generation der Blade‑Batterie für Elektrofahrzeuge auf den Markt zu bringen, die in den zukünftigen Fahrzeugen des Unternehmens eingesetzt wird. Die erste Generation der Blade‑Batterie wurde von BYD bereits 2020 eingeführt, und die aktuelle Generation wird von BYD zur Stromversorgung seiner Elektrofahrzeuge sowie von anderen Automobilherstellern wie Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia und Hyundai verwendet.

Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium‑Ion‑Batterien sind diese Lithium‑Ion‑Phosphor‑Batterien (LFP) kostengünstiger und haben BYD ermöglicht, preisgünstige Elektrofahrzeugmodelle einzuführen, die sein Wachstum vorangetrieben haben. Die nächste Generation der Blade‑Batterien wird noch kompakter, effizienter, sicherer sein und eine größere Reichweite bieten.

Im Automobilgeschäft des Unternehmens verkaufte BYS im vergangenen Jahr weltweit eine Rekordzahl an Elektro- und Hybridfahrzeugen, während sein größter Konkurrent, Tesla, 4,3 Millionen verkaufte. Der meistverkaufte Autohersteller Chinas verkaufte 2024 tatsächlich 1,76 Millionen reine Elektrofahrzeuge, obwohl er im Heimatmarkt einem harten Wettbewerb ausgesetzt ist, der in den letzten zehn Jahren durch Hunderte Milliarden Dollar an staatlichen Subventionen vorangetrieben wurde.

Was den Umsatz des Unternehmens betrifft, so verzeichnete der chinesische Elektrofahrzeughersteller, der 2022 die Produktion von Benzinmotoren eingestellt hat, im dritten Quartal 2024 einen Anstieg des Nettogewinns um 11,5 % auf 1,63 Milliarden US‑Dollar, während der Umsatz im Jahresvergleich um 24 % auf 28,24 Milliarden US‑Dollar stieg.

Fazit

Batterien, ein wichtiger Bestandteil der heutigen Elektronik sowie von Elektrofahrzeugen, intuitiven Mobilfunknetzen und Missionen im tiefen Weltraum, treiben die technologische Revolution voran. Allerdings erfordern das rapide wachsende E‑Waste‑Problem und das schwindende Vorkommen nicht‑erneuerbarer Materialien die Entwicklung von Produkten auf Basis erneuerbarer natürlicher Ressourcen, was zunehmend in den Fokus rückt, wie wir heute gesehen haben, dass Forschende zu organischen Materialien wie Pilzen greifen, um Batterien zu bauen.

Pilze, die das Leben auf der Erde seit langem bereichern und unsere Zukunft prägen, erleben dank ihrer Führungsrolle beim Recycling und der Materialumwandlung ein wachsendes Interesse. Sie bieten Lösungen, um den grünen Wandel zu einer bio‑basierten Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen, und führen neue Konzepte ein, um die Gesundheit von Menschen, Pflanzen und Tieren zu sichern.

Während Pilze bereits in Landwirtschaft, Medizin und Biotechnologie erforscht und eingesetzt wurden, stellt die neueste Studie einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Materialwissenschaft und mikrobiellen Elektrochemie dar. Sie nutzt umweltfreundliche Materialien in ihrer Konstruktion und schafft Möglichkeiten, verschiedene zellulosebasierte Pilzelektroden für den Einsatz in mikrobiellen Brennstoffzellen zu 3D‑drucken.

Durchbrüche wie diese adressieren drängende Umweltprobleme und eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung bio‑basierter, leistungsstarker Energiespeichersysteme, die uns näher an die Verwirklichung einer wirklich nachhaltigen und kreislauforientierten Wirtschaft bringen.

Klicken Sie hier für eine Liste der besten Batteriestocks.