Het is Poolse wetenschappers gelukt een efficiënte ‘biologische’ batterij te maken op basis van enzymen die zuurstof verbruiken. Door in het ontwerp koolstofnanobuisjes te gebruiken werkt de batterij stukken beter dan zijn voorgangers. De technologie zou pacemakers en hoorimplantaten van energie kunnen gaan voorzien.
In toenemende mate maken mensen gebruik van elektrische implantaten. Denk aan pacemakers die het hart kunnen ondersteunen, of gehoorapparaten. De energie voor die apparaten komt momenteel meestal uit lithium-jood-batterijen. Deze moeten goed ingepakt worden. De stoffen in zo’n batterij mogen namelijk niet in het lichaam vrijkomen. Maar naarmate implantaten steeds kleiner worden, neemt zo’n robuust omhulsel relatief steeds meer ruimte in.
‘Ademende’ batterij
Om van dat probleem af te komen zoeken wetenschappers naar alternatieven voor klassieke batterijen. Bijvoorbeeld biologische batterijen die gebruik maken van lichaamseigen, niet giftige stoffen. Wetenschappers van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau zeggen in het tijdschrift Journal of Power Sources dat ze nu een sterk verbeterde versie van een biobatterij hebben gemaakt. Een die bij een relatief hoog voltage veel vermogen kan leveren.
De Polen hebben zich daarbij gericht op de zogenoemde kathode, die aan de pluspool van de batterij zit. Daar worden elektronen uit de stroomkring opgenomen. Ze worden in de biobatterij door enzymen gebruikt om van zuurstof en waterstof-ionen, water te maken. Door dit zuurstof-gebruik wordt ook wel gezegd dat de batterij ‘ademt’.
Het is niet de eerste ademende batterij, maar hij werkt wel een stuk beter dan vergelijkbare voorgangers, aldus de wetenschappers. In combinatie met een zinc-anode (het deel van de batterij waar elektronen worden vrijgemaakt) werd er een voltage van 1,75 volt gemeten. De batterij werkt zeker twee weken, maar verliest in die tijd wel iets van zijn efficiëntie, waarschijnlijk door afbraak van de enzymen. “Na twee weken zijn we eigenlijk opgehouden met meten”, schrijft één van de onderzoekers, Martin Jönsson-Niedziółka, per e-mail.
Koolstofnanobuisjes
Jönsson-Niedziółka en collega’s denken dat de batterij beter presteert door de speciale structuur van de kathode. De enzymen die de zuurstof-reactie katalyseren zitten vast aan koolstofnanobuisjes. Deze buisjes houden de enzymen goed op hun plaats zonder dat hun reactiviteit minder wordt. Op hun beurt zitten de buisjes weer vast aan een matrix van silicaat, die genoeg zuurstof doorlaat.
Hoewel er in het lichaam van nature zuurstof is opgelost, zal de beschikbaarheid van zuurstof er beperkter zijn. Jönsson-Niedziółka denkt dan ook dat hun kathode er minder goed zal presteren. “In lucht is de concentratie zuurstof wel veertig keer hoger dan in het weefsel. Bovendien is de diffusie er veel langzamer. Daarom zal de spanning van deze batterij in weefsel vooralsnog veel lager zijn.”
Deze brandstofcel zou volgens de wetenschappers toepassingen kunnen krijgen als energiebron voor implantaten zoals pacemakers.
Wikimedia CommonsVerbeteren van enzymen
Wat deze vinding bijzonder maakt is dat miniatuurversies van deze batterijen uiteindelijk misschien wel zonder behuizing in het lichaam gebruikt kunnen worden.
Zeker wanneer de zink-anode wordt vervangen door een variant die ook werkt op basis van een enzym-reactie. “In feite zijn alle onderdelen onschadelijk. Er bestaat alleen wat twijfel over koolstofnanobuisjes, maar onderzoek wijst erop dat ze alleen schadelijk zijn als ze in grote hoeveelheden worden ingeademd.”
Zoals gezegd gaat de efficiëntie van de batterij in de loop van de tijd wel achteruit, wat wordt toegeschreven aan de afbraak van de enzymen. Dat is bovendien afhankelijk van de belasting van de biobatterij.
Jönsson-Niedziółka: “Bij een laag energieverbruik werkt onze batterij op zijn minst twee weken, maar bij een hoge belasting doet hij dat slechts uren. Dat kan wellicht voor een deel worden opgelost door het ontwerp aan te passen. Maar ik vermoed dat de grootste verbeteringen liggen op het gebied van betere enzymen. En daar wordt nu erg veel onderzoek naar gedaan.”