Alle reden vom «Internet der Dinge» (Internet of Things – IoT). Alles ist mit allem vernetzt. Nicht nur Computer. Die Umwelt wird zum Datenlieferanten. Diese Daten erfassen Sensoren. Sie messen bestimmte Grössen in der Umwelt und melden die Differenzen weiter.

Das hat nicht nur mit Big Brother zu tun, sondern auch mit anderen Anwendungen. Auf diese Weise können schädliche Stoffe in der Umwelt beobachtet werden und kann bei einem Anstieg der Konzentration entsprechend Alarm geschlagen werden. Eine wichtige Rolle spielen Biosensoren. Sie basieren auf einem biologischen System, das durch einen Impuls von aussen aktiviert werden kann und dann ein Signal abgibt.

Oft funktionieren diese Biosensoren noch nicht sehr effizient. Sie sind zum Teil noch zu wenig empfindlich oder sind auf Einmalgebrauch eingeschränkt. Die Lösung heisst: Sie brauchen eine Energieversorgung. Also eine Batterie. Batterie? Sind das nicht die schweren Dinger, die vor allem aus Metall bestehen? Konventionelle Batterien wären in der Tat zu gross dimensioniert und zu teuer. Und gleichzeitig stellt sich das Problem, wie sie in die Sensoren integriert werden können.

Seokheun Choi von der State University of New York, Binghampton, hat an einer Tagung der American Chemical Society einen Lösungsweg aufgezeigt. Er schlägt vor, Papier zu gebrauchen. Papier wird jetzt schon als Trägermaterial für Sensoren gebraucht, weil es viele vorteilhafte Eigenschaften aufweist. «Es ist günstig, reichlich vorhanden, flexibel und hat eine grosse Oberfläche pro Gewichtseinheit.»

Energiequelle aufs Papier

Es gibt bereits Biosensoren auf Papier, mit denen günstig Krankheiten diagnostiziert werden können oder mit denen Umweltverschmutzungen nachgewiesen werden können. Wenn man ihnen noch eine Energiequelle mitgeben könnte, wären sie um ein Vielfaches sensibler und wirksamer.

Choi und seine Kolleginnen und Kollegen arbeiten an einer Papierbatterie. Sie soll auf Papier basieren, die Energie sollen Bakterien liefern. An solchen mikrobiellen bioelektrochemischen Systemen wird schon seit ein paar Jahren geforscht. Die Forschung ist nicht nur spannend für die Wissenschaft, diese Kleinstlebenwesen versprechen auch technische Nutzungen, auf die wir in Zukunft angewiesen sein werden.

Nicht ET, sondern EET

Dass Strom fliesst, wenn auch nur in kleiner, kaum messbarer Spannung, wenn anaerobe Bakterien Stoffe abbauen, wurde durch den englischen Botaniker M. C. Potter im Jahre 1911 entdeckt. Wie das vor sich geht, war lange unklar. Eigentlich dachte man, wären dafür zusätzliche Stoffe, sogenannte Redoxmediatoren, nötig. Unter diesen Voraussetzungen wäre eine technische Anwendung schwierig.

Bestimmte Mikroben können Elektronen aus der Zelle an eine Elektrode abgeben. Solche EET-Mikroben (EET = extrazellulärer Elektronentransfer) will Choi für die Papierbatterie benutzen. Sie drucken ganz dünne Metallschichten aufs Papier. Dann platzieren sie tiefgefrorene EET-Mikroben aufs Papier. Durch den Zusatz von Wasser oder Speichel werden die Mikroben wiederbelebt. Innert Minuten produzierten die Bakterien genug Elektronen, um zum Beispiel eine Licht-Diode oder einen Mini-Rechner zu betreiben.

Dank des EET können sich diese Bakterien auf einer Elektrode (Grafit oder Kohlenstofffasern) als Biofilm ansiedeln. Dieser elektrochemisch aktive Biofilm kann als Elektrokatalysator dienen und so den Ablauf von chemischen Reaktionen ermöglichen, die in ihrer gewohnten Umgebung sonst nicht ablaufen könnten.

Als umwelttechnische Anwendung könnte man sich vorstellen, dass die Mikroben bei der Abwasserreinigung eingesetzt werden und so auch noch Strom produzieren. Auch im Boden liessen sich auf diese Weise schädlich Stoffe abbauen. Vielleicht könnte man sogar das Treibhausgas CO2 verwerten. Und weil ein mikrobielles System Strom erzeugt, der von der Stoffwechselaktivität abhängt, ist es auch ein Sensor.