Mikroben erzeugen Strom im Meer und ersetzen teure Batterien

Unterwasser-Sensoren liefern wichtige Daten für Küstenschutz, Meeresforschung und Sicherheit von Küstenbewohnern. Sie messen Temperaturen, verfolgen Tierwanderungen und registrieren Geräusche unter Wasser. Solche Systeme helfen auch dabei, Sturmfluten früher zu erkennen, marine Hitzewellen besser zu überwachen und langfristige Klimaveränderungen in schwer erreichbaren Regionen zu dokumentieren.

Außerdem spielen sie beim Schutz kritischer Infrastruktur wie Unterseekabeln oder Pipelines eine wichtige Rolle. Das größte Problem in der Nutzung dieser Geräte ist erstaunlich schlicht: Irgendwann ist die Batterie leer. Ist der Akku erschöpft, müssen Schiffe ausrücken, Sensoren geborgen und Batterien ersetzt werden. Das kostet Zeit und Geld.

Mikroben sollen Unterwasser-Sensoren mit Strom versorgen

Forscher arbeiten deshalb an einer ungewöhnlichen Lösung: Mikroben sollen die Batterien künftig überflüssig machen. Die winzigen Organismen könnten dabei selbst zu Stromlieferanten für Unterwasser-Sensoren werden.

Sie wandeln organisches Material im Wasser in elektrische Energie um, mit der die Sensoren betrieben werden können. Die Untersuchung stammt von der Michigan Technological University und läuft im Rahmen des Programms BLUE („BioLogical Undersea Energy“) der US-Forschungsagentur DARPA.

Wie mikrobielle Brennstoffzellen im Meer Strom erzeugen

Die Technik basiert auf sogenannten mikrobiellen Brennstoffzellen. Solche Systeme kennt man bereits aus Kläranlagen. Dort finden Mikroben viele Nährstoffe und können leicht Energie erzeugen. Im Meer ist das deutlich schwieriger.

„Die Grundidee ist, dass Mikroben während ihres Stoffwechsels Elektronen bewegen“, erklärt die Biologin Amy Marcarelli, Projektleiterin an der Michigan Tech. In einer Brennstoffzelle wandern diese Elektronen von einer Anode zu einer Kathode. Dabei entsteht nutzbarer Strom.

Das Problem liegt im Meerwasser selbst. Es enthält deutlich weniger organisches Material als Abwasser. Gleichzeitig ist dort viel mehr Sauerstoff vorhanden. Aber zu viel Sauerstoff stört die Stromproduktion. „Wenn Sauerstoff vorhanden ist, nutzen Mikroben ihn zur Zellatmung, weil sie daraus die meiste Energie gewinnen“, sagt Marcarelli. Für die Batterie bleibt dadurch weniger elektrische Energie übrig.

Aktivkohle als Schlüssel zu mehr Effektivität

Damit das System trotzdem funktioniert, nutzt das Team granulierte Aktivkohle. Sie sammelt organische Stoffe aus dem Wasser und bietet den Mikroben gleichzeitig eine Oberfläche zum Wachsen. Jennifer Becker, Co-Projektleiterin und Professorin für Umwelt- und Geotechnik, beschreibt den Stoff vereinfacht als ein „reichhaltigeres Essen“ für die Organismen.

Die Bakterien bilden auf der Aktivkohle sogenannte Biofilme. Dort entstehen kleine sauerstoffarme Bereiche. In diesen Zonen können die Mikroben weiter Energie erzeugen, auch wenn im Wasser reichlich Sauerstoff vorhanden ist. Die Aktivkohle übernimmt noch eine zweite Aufgabe. Sie speichert Elektronen wie ein kleiner Kondensator. Das hilft, Schwankungen in der Stromproduktion auszugleichen.

Die Leistung der Bio-Batterie schwankt

Beim Einpumpen von Meerwasser sinkt die Leistung der Brennstoffzelle zunächst deutlich. Erst wenn der Sauerstoff verbraucht ist, steigt sie wieder. Die Forscher nennen das ein „Sägezahn-Muster“. Dieses ständige Auf und Ab senkt die durchschnittliche Stromproduktion. Deshalb versucht das Team, gespeicherte Elektronen aus der Aktivkohle gezielt wieder freizusetzen.

„Wir haben das tatsächlich nachgewiesen, und das ist einer der Gründe, warum DARPA unser Projekt finanziert hat“, sagt Becker. Ganz einfach ist das nicht: Mikroben brauchen selbst einen großen Teil der Energie zum Überleben. Nur der Rest kann genutzt werden. „Es gibt nur eine begrenzte Menge Energie, die man aus einer mikrobiellen Brennstoffzelle holen kann.“

Trotz erfolgreicher Tests: Das Meer selbst bleibt die größte Herausforderung

Die ersten Prototypen der Bio-Batterien waren noch groß und schwer:

rund 30 Liter für die eigentliche Brennstoffzelle
weitere 15 Liter für Elektronik und Steuerung
mehr als 225 Kilogramm Gesamtgewicht

Der erste Test lief in der Chesapeake Bay an der US-Ostküste. Dort erzeugte das System aus Mikroben und Aktivkohle 30 Tage lang erfolgreich Energie unter Wasser. Auch die Steuerung funktionierte wie geplant. Der erste praktische Einsatz fand bereits im November 2025 statt.

Die neue Version ist nun deutlich kompakter. Die Brennstoffzelle misst nur noch etwa 90 Zentimeter, das Steuerrohr rund 30 Zentimeter. Vier neue Einheiten wurden in der Galveston Bay getestet. Drei davon produzierten sehr gut Strom. Eine vierte verhielt sich anders und lieferte wichtige Hinweise für weitere Verbesserungen.

Denn eine funktionierende Batterie allein reicht nicht. Das gesamte System muss Salzwasser, Druck, Korrosion und die Begegnung mit kleinen Meeresbewohnern aushalten. Auch das sichere Einsetzen der Geräte ist wichtig. Die Einheiten werden in etwa neun Metern Tiefe ausgebracht. Schon kleine Schäden beim Absenken können die Leistung deutlich verschlechtern.

Jamey Anderson und sein Team sorgen dafür, dass die Bio-Batterie dem Meer standhält und sicher unter Wasser eingesetzt werden kann. — © Michigan Tech Jamey Anderson und sein Team vom Great Lakes Research Center der Michigan Technological University entwickeln die Bio-Batterie so, dass sie Salzwasser, Druck und Korrosion standhält und sich sicher im Meer aussetzen lässt. © Michigan Tech

Ziel sind Sensoren, die jahrelang selbstständig arbeiten

Als Nächstes plant das Team ein System mit zehn mikrobiellen Brennstoffzellen. Es soll einen Monat lang in der Chesapeake Bay laufen. Danach wollen die Forscher berechnen, wie gut die Technik über ein ganzes Jahr funktioniert. Zusätzlich entstehen Modelle, die zeigen sollen, an welchen Orten weltweit genug organisches Material für diese Bio-Batterien vorhanden ist. Michael Sayers vom Michigan Tech Research Institute verbindet dafür Felddaten, Labortests und Satellitendaten.

Das Ziel ist ein System, das sich fast überall einsetzen lässt. Anderson beschreibt die Vision so: „Die Idee eines Systems, das wir auf ein Boot laden, an 10.000 Orten weltweit einsetzen und sofort wissen können, dass dort Energie verfügbar ist, ist ein echter Game-Changer.“ Gelingt das, könnten Unterwasser-Sensoren deutlich länger im Meer bleiben – ohne ständigen Batteriewechsel, ohne aufwendige Wartung, betrieben mit Strom direkt aus ihrer Umgebung.

Kurz zusammengefasst:

Die Verwendung von Unterwasser-Sensoren scheitert nicht an ihrer Technik, sondern an leeren Batterien – Forscher der Technischen Universität Michigan entwickeln deshalb eine Bio-Batterie, bei der Mikroben aus organischem Material im Meer Strom erzeugen.
Die mikrobielle Brennstoffzelle funktioniert, weil Bakterien während ihres Stoffwechsels Elektronen abgeben; Aktivkohle hilft dabei, organische Stoffe zu sammeln, Biofilme zu bilden und die Stromproduktion trotz störendem Sauerstoff im Meerwasser zu stabilisieren.
Erste Tests liefen bereits 30 Tage erfolgreich unter Wasser, nun soll ein größeres System mit zehn Brennstoffzellen zeigen, ob Sensoren künftig über Monate oder sogar Jahre ohne Batteriewechsel im Meer arbeiten können.

Übrigens: Während Mikroben im Meer künftig Sensoren mit Energie versorgen könnten, soll tief unter der Erde ein neues Geothermie-Kraftwerk rund um die Uhr Strom liefern – ganz ohne Sonne oder Wind. In Oregon setzt ein Unternehmen dafür auf extreme Hitze aus mehreren Kilometern Tiefe und eine Bohrtechnik, die Gestein schmilzt. Mehr dazu in unserem Artikel.