Die Umwandlung von Hühnerfedern in saubere Elektrizität

Forscher der ETH Zürich und der Nanyang Technological University Singapore (NTU) haben nun einen Weg gefunden, diese Federn sinnvoll zu nutzen. Mit einem einfachen und umweltfreundlichen Verfahren extrahieren sie das Protein Keratin aus den Federn und wandeln es in ultradünne Fasern, sogenannte Amyloidfibrillen, um. Diese Keratinfibrillen werden dann in der Membran einer Brennstoffzelle verwendet. Ihre Studie wurde in ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht.

Brennstoffzellen erzeugen CO2-freie Elektrizität aus Wasserstoff und Sauerstoff und geben nur Wärme und Wasser ab. Sie könnten in Zukunft eine wichtige Rolle als nachhaltige Energiequelle spielen. Im Herzen jeder Brennstoffzelle befindet sich eine halbdurchlässige Membran. Sie lässt Protonen passieren, blockiert jedoch Elektronen, die dadurch gezwungen werden, durch einen externen Stromkreis von der negativ geladenen Anode zur positiv geladenen Kathode zu fließen und so einen elektrischen Strom zu erzeugen.

Die Verwertung von industriellen Abfällen

In herkömmlichen Brennstoffzellen wurden diese Membranen bisher mit hochgiftigen Chemikalien, oder auch "ewige Chemikalien" genannt, hergestellt, die teuer sind und sich in der Umwelt nicht abbauen. Die von den ETH- und NTU-Forschern entwickelte Membran besteht hingegen hauptsächlich aus biologischem Keratin, das umweltverträglich ist und in großen Mengen zur Verfügung steht - Hühnerfedern bestehen zu 90% aus Keratin. Das bedeutet, dass die im Labor hergestellte Membran bereits bis zu drei Mal günstiger ist als konventionelle Membranen.

"Ich habe mehrere Jahre damit verbracht, verschiedene Möglichkeiten zu erforschen, wie wir Lebensmittelabfälle für erneuerbare Energiesysteme nutzen können", sagt Raffaele Mezzenga, Professor für Lebensmittel- und Weichmaterialien an der ETH Zürich. "Unsere neueste Entwicklung schließt einen Kreis: Wir nehmen eine Substanz, die CO2 und giftige Gase freisetzt, wenn sie verbrannt wird, und verwenden sie in einem anderen Zusammenhang: Mit unserer neuen Technologie ersetzen wir nicht nur giftige Substanzen, sondern verhindern auch die Freisetzung von CO2 und verringern so den Gesamtkohlenstoff-Fußabdruck," sagt Mezzenga.

Vielseitige Anwendung

Es gibt jedoch weitere Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, bevor Wasserstoff sich als nachhaltige Energiequelle etablieren kann. "Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum - nur leider nicht auf der Erde", sagt Mezzenga. Da Wasserstoff hier nicht in reiner Form vorkommt, muss er hergestellt werden, was viel Energie erfordert. Auch hier könnte die neue Membran in Zukunft eine gute Verwendung finden, da sie nicht nur in Brennstoffzellen, sondern auch in der Wasserspaltung eingesetzt werden kann.

Bei einem Vorgang, der Elektrolyse genannt wird, fließt Gleichstrom durch Wasser, wodurch an der (dann) positiv geladenen Anode Sauerstoff entsteht, während Wasserstoff an der negativ geladenen Kathode entweicht.

Reines Wasser ist für diesen Prozess nicht leitfähig genug und erfordert oft die Zugabe von Säuren. Die neue Membran ist jedoch protonenleitfähig und ermöglicht so den Partikeltransport zwischen Anode und Kathode, der für eine effiziente Wasserstoffproduktion auch in reinem Wasser erforderlich ist. Der nächste Schritt der Forscher besteht darin, die Stabilität und Haltbarkeit ihrer Keratinmembran zu untersuchen und diese bei Bedarf zu verbessern.

Quelle:
Wei Long Soon et al, Renewable Energy from Livestock Waste Valorization:
Amyloid-Based Feather Keratin Fuel Cells, ACS Applied Materials & Interfaces (2023). DOI: 10.1021/acsami.3c10218