Cyborg-Rose: Forscher haben eine normale Rose in einen elektrochemischen Stromspeicher umgewandelt. Die Pflanze saugte dafür ein leitfähiges Polymer auf, das in ihrem Inneren ein verzweigtes Leitungsnetz bildete. Im Stiel entstand dabei von allein die Struktur für einen elektrochemischen Kondensator. Der neuartige Rosen-Kondensator kann hunderte Male aufgeladen und wieder entladen werden und kann mit seinem Strom beispielsweise Sensoren antreiben.
Das elektronische „Aufrüsten“ von Pflanzen liegt im Trend: Bereits im letzten Jahr haben Wissenschaftler Spinatpflanzen mit Hilfe von eingeschleusten Nanoröhrchen zu Umweltsensoren umfunktioniert. Eine andere Forschergruppe nutzte dagegen ein lösliches Polymer, um eine Rose zur Cyborg-Pflanze zu machen. Ihr Stängel wurde zum Bio-Transistor und ihr Blatt zum elektronisch schaltbaren Display.
Leitungsnetz im Inneren einer Rose
Jetzt haben Roger Gabrielsson von der Universität von Linköping in Schweden und seine Kollegen die Cyborg-Rose weiterentwickelt – und erstmals eine praktische Einsatzmöglichkeit unter Beweis gestellt. Dafür entwickelten sie ein neues leitfähiges Polymer, dass sich nicht nur in den Leiterbahnen des Rosenstiels ausbreitet, sondern bis in die Blätter gezogen wird.
Durch Wechselwirkung mit dem Pflanzenmaterial erstarrt das Polymer und bildet so ein verästeltes Leitungsnetz – im Gegensatz zu den nur kurzen Stielleitungen der Vorversion. „Die räumliche Struktur der Pflanze dient dabei als Schablone, während ihre biochemischen Reaktionen als Katalysatoren für die Polymerisation fungieren“, erklären Gabrielsson und seine Kollegen.
Umgerüstet zum Superkondensator
Der Clou daran: Das komplexere Leitungsnetz im Inneren der Rose verleiht der Pflanze nun ganz neue, praktisch nutzbare Eigenschaften. So lassen sich die Leitungen in einen elektrochemischen Kondensator umwandeln – und damit in ein Instrument um Strom zu speichern und wieder abzugeben.
Für die Umwandlung der Cyborg-Rose in einen solchen Superkondensator genügte es, zwei der Polymerleitungen in ihrem Stiel anzuzapfen und jeweils mit einem Gold-Kontakt von außen zugänglich zu machen. „Die beiden Leitungen dienten damit als Elektroden und das Pflanzengwebe zwischen ihnen als Separator“, erklären die Forscher.
Robust und leistungsfähig
Legt man nun Strom an, lädt sich dieser biologische Kondensator auf und kann den Strom eine gewisse Weile lang speichern, wie Tests ergaben. „Wir konnten galvanostatisches Laden und Entladen für Stromstärken von 0,25 bis ein Mikroampere nachweisen“, berichten die Forscher. „Die elektrischen Speichereigenschaften liegen dabei in der gleichen Größenordnung wie bei anderen elektrochemischen Kondensatoren.“
Die Leistung des Rosen-Kondensators reichte immerhin aus, um einfache Geräte anzutreiben: „Die Pflanze kann, ohne jede Optimierung des Systems, verschiedenen Sensoren oder unsere Ionenpumpe mit Strom versorgen“, sagt Gabrielssons Kollegin Eleni Stavrinidou. Der Rosen-Kondensator erwies sich zudem als bemerkenswert robust: „Wir konnten die Rose hunderte Male laden und entladen, ohne dass sie an Leistung verlor“, so die Forscher.
Großes Potenzial
Noch steht die Forschung zu solchen Elektro-Pflanzen ganz am Anfang. Doch die Wissenschaftler sehen in dieser Technologie großes Potenzial für grüne Stromspeicher oder Stromlieferanten der Zukunft. Denkbar wären beispielsweise Pflanzen, die Sensoren mit Strom versorgen oder – in Form ganzer Felder – sogar größere Geräte. Auch biologische Brennstoffzellen könnten auf Basis solcher Elektropflanzen entwickelt werden. (Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 23017; doi: 10.1073/pnas.1616456114)
(Linköping Universitet / PNAS, 28.02.2017 – NPO)
