Energie bewegt: Biobrennstoffzellen
Mini-U-Boot im Körper: Eine fantastische Reise
In einem Film vor 45 Jahren noch Science Fiction, in zehn Jahren vielleicht schon Wirklichkeit: ein Mini-U-Boot mit Bioantrieb auf dem Weg durch den Körper.
Miniaturmaschinen mit eigenem Antrieb, die durch unser Blut schwimmen! Um die Science von dieser Fiction bemüht sich das Chemikerteam um Wolfgang Schuhmann an der Ruhr-Universität in Bochum. Die Grundlagenforscher basteln an einer Biobrennstoffzelle, die kleiner als ein Millimeter ist. Sie könnte eines Tages Minimaschinen im menschlichen Körper antreiben. Das wäre ein unerhörter Fortschritt für die Medizin.
Am Herz andocken
So ein Mini-U-Boot mit Sensor könnte zum Beispiel bei seiner Reise ins Ich zum Herzen vordringen und den Sauerstoffgehalt des Bluts messen. Oder es könnte ein Chemotherapeutikum im Medikamentenkoffer mitführen, rückwärts an Krebsmetastasen andocken und das Medikament ganz gezielt injizieren. So ein Mini für die Blutbahn braucht natürlich Energie. Und hier kommt Wolfgang Schuhmann ins Spiel: „Wir arbeiten daran, Brennstoffzellen zu miniaturisieren. Sie werden vollständig von Substanzen angetrieben, die im Blut vorhanden sind, zum Beispiel Sauerstoff und Glukose.“ Die Biobrennstoffzelle funktioniert wie eine Batterie, die elektrischen Strom produziert. Was bei der normalen Brennstoffzelle zum Beispiel Platin als Katalysator leistet, das sollen hier Enzyme erledigen, die den überwiegenden Teil biochemischer Reaktionen im Körper, zum Beispiel die Verdauung, steuern.
- Chemiker Wolfgang Schuhmann von der Ruhr-Universität Bochum bastelt mit seinem Team an einer Mini-Biobrennstoffzelle.
Die Biobatterie
Im Inneren einer Biobatterie zerlegen Enzyme den Zucker aus dem Blut in seine Bestandteile. Dabei werden Elektronen und Wasserstoffionen freigesetzt, die sich mit Sauerstoff zu Wasser verbinden. Die Energie, die bei diesem Prozess erzeugt wird, soll den Motor des Mini-U-Boots antreiben. Der Charme der blutbetriebenen Brennstoffzelle: Sie braucht keinen Treibstoffkanister. Denn der Treibstoff ist im Blut vorhanden. Doch auf dem Weg dahin haben die Wissenschaftler noch etliche Herausforderungen zu meistern. Normalerweise sind die beiden Elektroden, die Kathode und die Anode, zwischen denen ein Elektronenfluss und damit ein Strom bei einer bestimmten Spannung fließt, räumlich voneinander getrennt. Beim extremen Miniaturisieren würde eine Trennwand nur stören. Wolfgang Schuhmann: „Da würde unsere Biobrennstoffzelle fast nur aus Wand bestehen“. Also bastelt er an wandlosen Brennstoffzellen.
Der Nanowald
Auch an anderer Stelle muss die Natur überlistet werden. Die aktiven Zentren von Enzymen sind, so hat es die Natur eingerichtet, stark isoliert. Und das ist ja auch genau richtig, weil sonst lauter spontane Reaktionen abliefen. Doch für die Biobrennstoffzelle führt diese Isolierung der aktiven Zentren zu einer großen Schwierigkeit, weil das den Transfer der Elektronen zwischen Enzym und Elektrode erschwert. Also hat das Bochumer Team ein dreidimensionales Kunststoffgerüst konstruiert, das den Elektronenfluss zum Flutschen bringt und damit den Stromfluss ermöglicht. Noch schneller geht es, wenn man Nanofasern aus Kohlenstoff verwendet. Weil das im Elektronenmikroskop ein bisschen aussieht wie ein Wald von Bäumen mit Ästen, sprechen die Forscher vom Nanowald.
Es gibt also wirklich noch viel zu tun. Und doch hofft Wolfgang Schuhmann, es „bis zu meiner Rente zu schaffen“. Also so in zehn bis zwölf Jahren. Dann könnte, wie im Film „Die phantastische Reise“ aus dem Jahre 1966, ein auf Mikrobengröße verkleinertes U-Boot in See stechen, sprich in die Blutbahn einfahren. Nur eines wäre anders: Dieses U-Boot ist dann autark. Es fährt und arbeitet von selbst. Im visionären Film mussten dafür noch Stephen Boyd und Raquel Welch als Teil einer fünfköpfigen Besatzung mit verkleinert werden und das U-Boot steuern …
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