Fremtidens strøm er sød og miljøvenlig
Illustreret Videnskab 19. marts 2008
Batterier baseret på sukkernedbrydende enzymer er lige om hjørnet. De er både effektive og meget miljøvenlige, da alle affaldsprodukter er biologisk nedbrydelige.

Af Rasmus Kragh Jakobsen

Kan du genkende situationen: Ups, min mobiltelefon er løbet tør for strøm, jeg bliver nødt til at ringe af! Temmelig irriterende. Men inden længe kan du blot hælde et skvæt æblejuice eller anden sukkerholdig væske på dit trætte batteri, og det lyser op med fornyet kraft og overskud til timers snak.
Den japanske elektronikgigant Sony har løftet sløret for en prototype brændselscelle, der udnytter sukkernedbrydende enzymer til at vriste elektroner ud af en sukkerholdig opløsning, så der produceres nok strøm til at sparke musik ud af en MP3-spiller i timevis. Og Sony er ikke alene. Amerikanske forskere fra Saint Louis University med lektor i kemi Shelley D. Minteer i spidsen har for nylig præsenteret et frimærkestort batteri, som kan drive en lommeregner - potentielt tre-fire gange så lang tid pr. opladning som almindelige batterier - og kører på stort set hvilken som helst sukkeropløsning fra sodavand til saft fra træer.

Naturen er mest effektiv
Det er ikke kun godt nyt for forbrugerne, som er trætte af at løbe tør for batteri. Sukkerbatterierne er også en kæmpe gevinst for miljøet, fordi hele brændselscellen er biologisk nedbrydelig og ikke fyldt med giftig kemi som nutidens batterier. De nye brændselsceller anvender nemlig naturens egne kraftværker - enzymer - der dagligt producerer masser af strøm i alle levende organismer. I cellerne er det også sukker, der forvandles til energi, og fuldstændig som en sportsmand skal have fyldt sukkerdepoterne op imellem præstationerne, skal de nye biobrændselsceller have sukker for at blive ved at køre. Naturens system er uhyre effektivt, så om det er dyr, planter eller bakterier, bruger cellerne grundlæggende det samme hundreder millioner år gamle system.
Størstedelen af alle levende organismer forbrænder sukker til vand og kultveilte, samtidig med at elektroner høstes og udnyttes til at opbygge energi med langt større effektivitet, end vi kender fra menneskeskabte brændselsceller. Mens konceptet om at udnytte sukker som brændstof er oldgammelt, er det først for nylig lykkedes forskerne at frigøre sukkerets tætpakkede energi i en effektiv brændselscelle. Metoden, som både Sony og Shelley D. Minteer bruger, er at få enzymerne til at arbejde og producere elektroner, der sendes rundt i et kredsløb og producerer strøm som i andre batterier.

NASA producerede strøm af urin
Ideen om at lave biologiske batterier går helt tilbage til begyndelsen af 1900-tallet, hvor forskere observerede, at elektricitet kunne skabes fra sukker, når der var mikroorganismer til stede. I 1960'erne kom der for alvor skred i udviklingen, da NASA satsede på at genanvende affald og menneskelig afføring i rummet. Forskerne udviklede brændselsceller, som kunne køre på urinstof eller metan, og de første brændselsceller, som brugte sukker, kom også i den periode.
Det lykkedes dog aldrig at få effekten højt nok op, samtidig med at der var store problemer med batteriernes størrelse, holdbarhed og stabilitet. Problemet med enzymer er nemlig, at de dels kan være ekstremt svære at få til at overleve særligt længe, dels at de er meget følsomme over for ændringer i pH (surhedsgrad). Men med de seneste årtiers genteknologiske fremskridt er det blevet nemmere at håndtere enzymerne og binde dem til selve elektroden.
Shelley D. Minteer har arbejdet med et design, hvor elektroderne er beklædt med en polymer med porer designet til at holde pH neutralt. Porerne holder enzymerne indespærret, mens små molekyler som brintioner og sukker kan diffundere igennem. Dermed kan man skabe et favorabelt mikromiljø, og i stedet for højst at holde få dage, knokler enzymerne i flere uger uden at miste output (med ekstra sukkerpåfyldning). Det er endda lykkedes at få enzymer til at holde i over et år.
Tilsvarende har Sony forbedret designet af sine kulstofelektroder, så strukturen øger tilgængeligheden af ilt og vand til enzymerne, hvilket fremmer de elektrokemiske reaktioner. Samtidig har Sony opfundet en ny måde at fæstne enzymerne på, så elektroderne bliver helt spækket med elektronfabrikker og dermed kan producere meget mere strøm. Og endelig har man skabt en elektrolytisk opløsning, som fremmer dannelsen af elektroner og gør det muligt at reducere batteriets vægt og størrelse. Resultatet er en indbydende hvid kube, der er 39 mm på hver side og yder op til 50 mW.
Sony kan ikke sige noget om, hvornår batterierne er at finde i supermarkedet, men der går sandsynligvis nogle år. Shelley D. Minteer vurderer, at hendes design kan være kommercielt om tre-fem år. Forskerne forventer, at biobatterierne vil erstatte de meget udbredte lithiumbatterier og spår, at de potentielt vil køre tre-fire gange så lang tid som de almindelige genopladelige batterier.
Inden man kommer så langt, er der dog brug for forbedringer: Elektrodernes struktur skal optimeres, produktionen af elektroner skal øges, og selve overførslen af elektroner til elektroderne skal effektiviseres. Biologien er stadig langt mere effektiv til at vride sukkermolekylet for energi, så der kun er vand og kultveilte tilbage, mens de nuværende biobatterier kun nedbryder sukkeret delvist.

Copyright © Rasmus Kragh Jakobsen og Illustreret Videnskab.