Elektrische Aale inspirierten die erste Batterie vor zwei Jahrhunderten. Wir suchen immer noch nach ihnen für die nächste Revolution in der Batterietechnologie

Da der weltweite Bedarf an großen Mengen tragbarer Energie stetig wächst immer schneller werdenhaben viele Innovatoren versucht, die aktuelle Batterietechnologie durch etwas Besseres zu ersetzen.

Italienischer Physiker Alessandro Volta nutzte grundlegende elektrochemische Prinzipien, als er 1800 die erste Batterie erfand. Im Wesentlichen erzeugt die physikalische Verbindung zweier verschiedener Materialien, normalerweise Metalle, eine chemische Reaktion, die zum Fluss von Elektronen von einem Material zum anderen führt. Dieser Elektronenstrom stellt tragbare Energie dar, die sein kann genutzt, um Strom zu erzeugen.

Die ersten Materialien, die Menschen zur Herstellung von Batterien verwendeten, waren Kupfer und Zink. Die besten Batterien von heute – diejenigen, die die höchste elektrische Leistung bei kleinstmöglicher Größe liefern – Paar das Metall Lithium mit einer von mehreren verschiedenen metallischen Verbindungen. Im Laufe der Jahrhunderte gab es stetige Verbesserungen, aber moderne Batterien beruhen auf der gleichen Strategie wie die von Volta: Paaren Sie Materialien, die eine elektrochemische Reaktion auslösen und die erzeugten Elektronen abfangen können.

Aber wie ich in meinem Buch beschreibe „Spark: Das Leben der Elektrizität und die Elektrizität des Lebens“, noch bevor von Menschenhand hergestellte Batterien elektrischen Strom erzeugten, wurden elektrische Fische wie der Salzwasser-Torpedofisch (Torpedo-Torpedo) des Mittelmeers und insbesondere die verschiedenen Zitteraalarten Südamerikas (Ordnung Gymnotiformen) waren dafür bekannt, elektrische Leistungen von erstaunlichen Ausmaßen zu erzeugen. Tatsächlich haben elektrische Fische Volta dazu inspiriert, die ursprüngliche Forschung durchzuführen, die letztendlich zu seiner Batterie führte, und die heutigen Batteriewissenschaftler suchen immer noch nach Ideen von diesen elektrisierenden Tieren.

Nachbau der elektrischen Orgel des Aals

Vor der Batterie von Volta bestand die einzige Möglichkeit für Menschen, Strom zu erzeugen, darin, verschiedene Materialien aneinander zu reiben, normalerweise Seide auf Glas, und die resultierende statische Elektrizität einzufangen. Dies war weder ein einfacher noch ein praktischer Weg, um nützliche elektrische Energie zu erzeugen.

Volta wusste, dass elektrische Fische ein inneres Organ hatten, das speziell der Stromerzeugung gewidmet war. Er argumentierte, wenn er nachahmen könnte seine Funktionsweisekönnte er einen neuartigen Weg zur Stromerzeugung finden.

Das elektrische Organ eines Fisches besteht aus langen Stapeln von Zellen, die einer Münzrolle sehr ähnlich sehen. Also schnitt Volta münzähnliche Scheiben aus Blättern aus verschiedenen Materialien und fing an, sie in verschiedenen Reihenfolgen zu stapeln, um zu sehen, ob er eine Kombination finden könnte, die Strom erzeugen würde. Diese Stapelexperimente führten zu negativen Ergebnissen, bis er versuchte, Kupferscheiben mit Zinkscheiben zu paaren, während er die gestapelten Paare mit mit Salzwasser benetzten Papierscheiben trennte.

Diese Folge von Kupfer-Zink-Papier erzeugte zufällig Strom, und die elektrische Leistung war proportional zur Höhe des Stapels. Volta dachte, er hätte das Geheimnis entdeckt, wie Aale ihren Strom erzeugen, und dass er tatsächlich eine künstliche Version des elektrischen Organs von Fischen hergestellt hatte, also nannte er seine Entdeckung zunächst ein „künstliches elektrisches Organ“. Aber es war nicht so.

Was Aale wirklich elektrisierend macht

Wissenschaftler wissen jetzt, die Elektrochemische Reaktionen zwischen unterschiedlichen Materialien, die Volta entdeckte, haben nichts mit der Art und Weise zu tun, wie ein Zitteraal seinen Strom erzeugt. Vielmehr verwendet der Aal einen ähnlichen Ansatz wie unsere Nervenzellen ihre elektrischen Signale erzeugen, jedoch in einem viel größeren Maßstab.

Spezialisierte Zellen im elektrischen Organ des Aals pumpen Ionen durch eine halbdurchlässige Membranbarriere, um einen elektrischen Ladungsunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite der Membran zu erzeugen. Wenn sich mikroskopisch kleine Tore in der Membran öffnen, erzeugt der schnelle Ionenfluss von einer Seite der Membran zur anderen einen elektrischen Strom. Der Aal kann es gleichzeitig alle Membrantore öffnen nach Belieben einen gewaltigen Stromstoß zu erzeugen, den er gezielt auf seine Beute entfesselt.

Elektrische Aale schocken ihre Beute nicht zu Tode; sie nur elektrisch betäuben es vor dem Angriff. Ein Aal kann Hunderte von Volt Strom erzeugen (amerikanische Haushaltssteckdosen haben 110 Volt), aber die Spannung des Aals liefert nicht lange genug Strom (Stromstärke), um zu töten. Jeder elektrische Impuls eines Aals dauert nur ein paar Tausendstel Sekunden und liefert weniger als 1 Ampere. Das sind nur 5 % der Haushaltsstromstärke.

Dies ähnelt der Funktionsweise von Elektrozäunen, die sehr kurze Impulse von Hochspannungsstrom liefern, jedoch mit sehr geringer Stromstärke. So schocken sie Bären oder andere tierische Eindringlinge, die versuchen, durch sie hindurchzukommen, töten sie aber nicht. Es ähnelt auch einem modernen Taser-Elektroschockwaffedas schnell einen extrem hohen Spannungsimpuls (etwa 50.000 Volt) mit sehr geringer Stromstärke (nur wenige Milliampere) liefert.

Moderne Versuche, den Aal nachzuahmen

Wie Volta finden einige moderne Elektrowissenschaftler, die die Batterietechnologie transformieren wollen, ihre Inspiration in Zitteraalen.

Ein Team von Wissenschaftlern aus den USA und der Schweiz ist derzeit dabei arbeitet an einem neuen Batterietyp, der von Aalen inspiriert ist. Sie stellen sich vor, dass ihre weiche und flexible Batterie eines Tages nützlich sein könnte, um medizinische Implantate und weiche Roboter intern mit Strom zu versorgen. Aber das Team gibt zu, dass sie noch einen langen Weg vor sich haben. „Die elektrischen Organe der Aale sind unglaublich raffiniert; Sie sind viel besser darin, Strom zu erzeugen als wir“, beklagte sich Michael Mayr, Teammitglied der Universität Fribourg. Die Aalforschung geht also weiter.

2019 wurde der Nobelpreis für Chemie an die drei Wissenschaftler verliehen, die die Lithium-Ionen-Batterie entwickelt. Bei der Verleihung des Preises versicherte die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften, dass die Arbeit der Preisträger „legte den Grundstein für eine drahtlose Gesellschaft ohne fossile Brennstoffe.“

Der „drahtlose“ Teil ist definitiv wahr, da Lithium-Ionen-Batterien jetzt praktisch alle tragbaren drahtlosen Geräte mit Strom versorgen. Wir müssen die Behauptung der „gesellschaft ohne fossile Brennstoffe“ abwarten, da die heutigen Lithium-Ionen-Batterien mit Strom aufgeladen werden, der oft durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird. Die Beiträge der Zitteraale wurden nicht erwähnt.

Später im selben Jahr gaben Wissenschaftler der Smithsonian Institution jedoch ihre Entdeckung einer neuen südamerikanischen Zitteraalart; dieser ist insbesondere der stärkste bekannte Biostromgenerator auf der Erde. Die Forscher haben die elektrische Entladung eines einzelnen Aals bei 860 Volt aufgezeichnet, weit über der der vorherigen Rekord-Aalart. Elektrophorus electricusdie bei 650 Volt eintaktete und 200-mal höher war als die Spitzenspannung einer einzelnen Lithium-Ionen-Batterie (4,2 Volt).

So wie wir Menschen versuchen, uns zur Größe unserer neuesten tragbaren Energiequelle zu beglückwünschen, demütigen uns die Zitteraale weiterhin mit ihren.

Timothy J. JorgensenDirektor des Graduiertenkollegs Gesundheitsphysik und Strahlenschutz und Professor für Strahlenmedizin, Georgetown Universität

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