Strom unter Wasser

Unterwasser­fahrzeuge, Tauchroboter oder Detektoren benötigen eine eigene Energie­versorgung, wenn sie über längere Zeit unabhängig von Begleitschiffen unter Wasser betrieben werden sollen. Praktikabler als Akkus ist eine direkte elektro­chemische Energie­gewinnung aus Meerwasser. Ein neuer kosten­günstiger Ansatz bietet den Vorteil, bei langen Laufzeiten auch kurzzeitige Belastungs­spitzen, etwa für rasche Bewegungen, zu bedienen. Wie chinesische Forscher, kann ihr System zu diesem Zweck autonom zwischen zwei Betriebsmodi umschalten.

Strom­generatoren unter Wasser sollen sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Leistungsdichte bieten. Liang Tang und sein Team von der East China Normal University in Shanghai, der Shanghai University sowie der Chinese Research Academy of Environ­mental Sciences in Beijing haben sich durch spezielle marine Mikro­organismen inspirieren lassen, die ihre Zellatmung je nach benötigtem Leistungs-Output zwischen einem aeroben und einem anaeroben Modus wechseln, indem sie verschiedene Stoffe als Elektronen­akzeptoren verwenden. Nach diesem Prinzip arbeitet auch ihr neuer Strom­generator.

Erfolgs­geheimnis ist eine Kathode aus Berliner Blau, einer offenen Gerüst-Struktur mit Cyanid-Ionen als Verstrebungen und Eisenionen als Knoten­punkten, die leicht Elektronen aufnehmen und abgeben können. Mit einer Metall­anode kombiniert lässt sich damit Strom aus Meerwasser generieren. Ist die abgerufene Leistung gering, werden die in die Kathode einfließenden Elektronen sofort auf gelösten Sauerstoff übertragen. Da gelöster Sauerstoff im Meer unerschöpflich ist, kann die Energie­versorgung bei niedrigem Stromfluss theoretisch ewig laufen.

Die Konzen­tration des Sauerstoffs jedoch ist gering. Wenn die abgerufene Leistung und damit die Stromstärke stark erhöht werden, ist nicht genug Sauerstoff an der Kathode, um alle ankommenden Elektronen sofort aufzunehmen. Nun muss das Berliner Blau diese speichern, indem Eisenionen vom dreifach in den zweifach positiv geladenen Zustand wechseln. Für den Ladungs­ausgleich lagern sich positiv geladene Natriumionen in das Gerüst ein. Da diese in hoher Konzentration in Meerwasser vorhanden sind, können viele Natriumionen und damit auch viele Elektronen in kurzer Zeit aufgenommen werden. Nimmt der Strom­verbrauch dann wieder ab, werden die Elektronen wie zuvor auf den Sauerstoff übertragen. Der Sauerstoff regeneriert das Gerüst zudem wieder, Fe²⁺ wird zu Fe³⁺oxidiert, die Natriumionen treten aus.

Das neue System zeigte sich in korrosivem Meerwasser sehr stabil und überstand eine Vielzahl an Modus­wechseln. Im Hoch­energie-Modus lief es konti­nuierlich über vier Tage, ohne an Leistung zu verlieren. Im Hoch­leistungs-Modus konnte es 39 Leuchtdioden versorgen und einen Propeller antreiben.

Wiley-VCH / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  W. Zhang et al.: An Auto‐Switchable Dual‐Mode Seawater Energy Extraction System Enabled by Metal-Organic Frameworks, Ang. Chem., online 29. März 2019; DOI: 10.1002/ange.201901759
• Key Laboratory of Polar Materials and Devices (MOE), East China Normal University, Shanghai