Mikrobielle Energieerzeugung eröffnet die Zukunft der Energie: Eine Vision für eine umweltfreundliche Gesellschaft von DNP, der Osaka Metropolitan University und TMEIC.

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— Könnten Sie uns erklären, wie es zu diesem dreiseitigen Gemeinschaftsprojekt kam?

DNP Ishikawa (im Folgenden: Ishikawa): Alles begann 2021, als ich den Forschungsvortrag von Professor Tokonami im Rahmen des „Wakasapo“-Programms hörte, einem Förderprogramm für Nachwuchswissenschaftler der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Es wurde ein Foto der wabenförmigen Struktur gezeigt, dem Substrat, das für die Anzucht von Mikroorganismen notwendig ist, und in dem Moment, als ich es sah, spürte ich instinktiv: „Die Technologie von DNP wird sicherlich nützlich sein.“

Ich beschäftige mich seit Langem mit der Entwicklung der Lithografie, einem Strukturierungsverfahren, das präzise feine Formen (Muster) auf Materialoberflächen erzeugt. Die Mikrofertigungstechnologie, die grundlegend für den Druckprozess ist, findet häufig Anwendung in Bereichen wie Displays und Halbleitern. Ich war jedoch der Ansicht, dass sie auch für Themen wie Umwelt und Energie relevant sein könnte. Daher kontaktierte ich umgehend Professor Tokonami, um die Möglichkeit einer gemeinsamen Forschungsarbeit zu besprechen.

— Sie erwähnten, dass Sie das Gefühl hatten, es sofort „nutzen“ zu können, als Sie die Fotos sahen. Wie passte das zur Drucktechnologie von DNP?

Ishikawa: Konkret handelt es sich um eine Technologie zur präzisen Herstellung wabenförmiger Substrate zur Anzucht von Mikroorganismen. DNP verfügt über die Technologie, Strukturen im Bereich von einem Mikrometer (µm: ein Millionstel Meter) bis hin zum Nanometerbereich (ein Milliardstel Meter) mithilfe von Mikrofertigungstechnologie stabil herzustellen und in Serie zu produzieren.

Als mir Professor Tokonami mitteilte, dass er nach einem Unternehmen suche, das die Massenproduktion von Leiterplatten übernehmen könne, antwortete ich: „Nun, das kann niemand außer uns.“

Osaka Metropolitan University, Tokonami (im Folgenden: Tokonami): Damals führte unser Labor Experimente mit 2 cm² großen Zellen (den Bausteinen einer Batterie) durch. Wir hatten jedoch keine Möglichkeit, die Zellfläche weiter zu vergrößern und hatten Schwierigkeiten, die Produktion zu skalieren. Wir waren überzeugt, dass diese Partnerschaft für die Beschleunigung unserer Forschung und deren praktische Anwendung von entscheidender Bedeutung sein würde.

— Wie funktioniert die mikrobielle Stromerzeugung?

Tokonami: Wenn Mikroorganismen organisches Material zersetzen, setzen sie Elektronen frei. Diese Elektronen werden von Elektroden aufgefangen und in Strom umgewandelt. Die verwendeten Mikroorganismen sind extrem klein, nur 2–3 μm groß, was etwa einem Hundertstel der Dicke eines menschlichen Haares entspricht. Um beispielsweise genügend Strom für eine LED-Lampe zu erzeugen, müssen etwa 30 Millionen Mikroorganismen in einer Zelle angesammelt und drei dieser Zellen in Reihe geschaltet werden.

Unsere Forschung befasst sich mit der Stromerzeugung aus Abwasser, das Mikroorganismen aus Fabriken, Geschäften und Privathaushalten enthält. Gleichzeitig wollen wir das Abwasser reinigen, indem wir organische Stoffe durch Mikroorganismen abbauen lassen.

— Benötigen Sie spezielle Mikroorganismen?

Tokonami: Nein. Es handelt sich um Mikroorganismen, die überall um uns herum vorkommen. Natürlich gibt es bestimmte Mikroorganismen, die eine hohe elektrische Leistung erbringen, aber die von uns angestrebte Stromerzeugung ist nicht auf bestimmte Orte oder Situationen beschränkt.

Osaka Metropolitan University, Iida (im Folgenden: Iida): Die mikrobielle Stromerzeugung ist eine seit Langem bekannte Technologie, die jedoch viele Jahre lang nicht praktisch eingesetzt wurde. Grund dafür war die zu geringe Stromausbeute. An diesem Punkt entwickelte Professor Tokonami die Idee: „Es wäre interessant, Mikroorganismen, die zur Stromerzeugung beitragen, in hoher Dichte zu akkumulieren.“ So begann meine gemeinsame Forschung mit Professor Tokonami.

Eines der Forschungsprojekte, an denen ich mitarbeite, ist die „Photokonzentration“. Dabei handelt es sich um eine Technik, die Licht nutzt, um Mikroorganismen zu sammeln. Zunächst wird ein dünner Goldfilm auf einem wabenförmigen Substrat aufgebracht, das als Elektrode der Zelle dient. Anschließend wird der Film mit Laserlicht bestrahlt. Durch die Belichtung des Goldfilms geraten die Elektronen in Schwingung und erzeugen lokal Wärme. Diese Wärme erwärmt das umgebende Wasser und verursacht vertikale Konvektion. Um die verdünnte Stelle auszugleichen, entsteht daraufhin eine Strömung (horizontale Konvektion) über einen größeren Bereich der Flüssigkeit auf dem Substrat. Die im umgebenden Bereich verteilten Mikroorganismen werden dann durch diese Konvektion in die Wabenstruktur transportiert.

Darüber hinaus erzeugt die Bestrahlung mit Laserlicht winzige Bläschen, und die Strömung, die mit der Dichte der Oberflächen dieser Bläschen zusammenhängt, trägt ebenfalls zur Ansammlung von Mikroorganismen bei.

Steigt die Temperatur im Zellinneren hingegen zu stark an, sterben die Mikroorganismen ab. Daher wird für die Zellwände ein schlecht wärmeleitendes Polymer verwendet. Durch den Einsatz dieses Polymers wird die Erwärmung auf den Bereich um das Septum, der vom Laser bestrahlt wird, begrenzt, und der Temperaturanstieg im Zellinneren insgesamt wird reduziert. So lässt sich ein für die Mikroorganismen geeignetes Milieu aufrechterhalten, während gleichzeitig die Akkumulation und die Energieerzeugung stabil fortgesetzt werden.

— Wie kam es zur Beteiligung von TMEIC?

Kitagaki von TMEIC (im Folgenden: Kitagaki): TMEIC stellt selbst keine Batterien her, verfügt aber über umfangreiche Erfahrung und hohe technische Kompetenz in Bereichen wie der Steuerung von Stromerzeugungs- und Energiespeichersystemen sowie der Stromumwandlung. Wir haben uns auf die mikrobielle Stromerzeugung konzentriert, da sie die Möglichkeit bietet, aus ungenutzter Biomasse (nachwachsenden biologischen Ressourcen) wie Industrie- und Haushaltsabwasser mit organischem Stoffanteil Strom zu erzeugen. Es handelt sich dabei um eine saubere Stromerzeugungsmethode, die Strom durch chemische Reaktionen ohne Verbrennung produziert, ähnlich wie Brennstoffzellen.

Eine ähnliche Technologie zur mikrobiellen Stromerzeugung ist die Biogaserzeugung. Dabei wandeln Bakterien Biomasse in Methangas um, das anschließend in Gasturbinen etc. zur Stromerzeugung genutzt wird. Da hierbei jedoch eine Verbrennung stattfindet, entsteht Abgas. Im Gegensatz dazu kommt es bei der mikrobiellen Stromerzeugung in diesem Projekt nicht zu einer Verbrennung, sodass kein Abgas entsteht. Wir haben uns aufgrund dieses Vorteils für die Teilnahme entschieden.

— Wie sind die Fachkenntnisse und Technologien der drei Parteien integriert und wie ist die Rollenverteilung zwischen ihnen?

Tokonami: Im Rahmen unserer Grundlagenforschung ist die Osaka Metropolitan University dafür verantwortlich, wie man effizient Elektronen aus Mikroorganismen gewinnen kann und für die Technologie der "Photokonzentration", bei der Licht zur Ansammlung von Mikroorganismen verwendet wird.

Ishikawa: Die Aufgabe von DNP besteht darin, die wabenförmigen Substrate zur Sammlung dieser Mikroorganismen präzise herzustellen. Wir erreichen Mikrostrukturen im Bereich von 1 μm bis hin zum Nanometerbereich durch ein Design, das Festigkeit und Effizienz in Einklang bringt.

Kitagaki: TMEIC ist verantwortlich für die Dünnschichtabscheidungstechnologie für Elektroden, die Technologie zur Umwandlung der Leistungsabgabe der Batterie, die Energiespeichertechnologie und fungiert außerdem als Systemintegrator zur Integration all dieser Komponenten.

Die Grundlagenforschung an der Osaka Metropolitan University, die massenproduzierbare Basistechnologie von DNP und das System von TMEIC zur Anbindung an die Gesellschaft als Elektrizität – erst wenn diese drei Elemente zusammenkommen, kann die mikrobielle Stromerzeugung das Forschungsstadium überwinden und zu einem praktikablen Weg für die praktische Anwendung werden.

— Wie gingen die drei Parteien bei der Entwicklung hin zur praktischen Anwendung vor?

Ishikawa: Obwohl wir sofort unser Interesse bekundeten, hatten wir ehrlich gesagt anfangs kein klares Bild davon, wie sich das Ganze praktisch umsetzen ließe. Damals waren die einzelnen Zellen noch sehr klein, und wir fragten uns, ob sie überhaupt genug Energie für den praktischen Einsatz erzeugen könnten. Deshalb stellten wir Professor Tokonami diese Frage direkt. Er erklärte uns dann ausführlich die Photokonzentration, also die Ansammlung von Mikroorganismen, und wir empfanden das als einen sehr originellen Ansatz, sowohl theoretisch als auch hinsichtlich seiner Umsetzbarkeit. Da wir von Anfang an so überzeugt waren, konnten wir das Thema mit Begeisterung mit dem Unternehmen besprechen.

Ich war sehr nervös, als ich Professor Tokonami das erste Muster der mit Mikrofertigungstechnologie hergestellten Leiterplatte übergab. Ich fragte mich, ob sie wirklich nützlich sein würde, doch schon bald erhielt ich die Nachricht: „Die Ergebnisse sind deutlich besser als zuvor!“ Das war das erste Mal, dass ich die technischen Vorteile wirklich spürte.

Tokonami: Bis dahin verwendeten wir Substrate aus Glas, die während der Messungen mitunter zerbrachen, was die Kontinuität unserer Experimente erheblich beeinträchtigte. DNP konnte uns Hunderte von Polyethylenterephthalat (PET)-Substraten zur Verfügung stellen, wodurch wir die Versuchsbedingungen umfassend überprüfen und unsere Forschung deutlich beschleunigen konnten. Infolgedessen haben wir unsere jährliche Produktivität etwa verdoppelt.

Iida: Mich beeindruckte vor allem, wie die Unternehmen die Herausforderungen identifizierten. Als sie beispielsweise darum baten, eine Datenbank mit experimentellen Bedingungen wie Komponenten und Zusammensetzung bei der Batterieherstellung zu erstellen, war ich zunächst skeptisch, da ich befürchtete, dies würde die Forschenden im Tokonami-Labor stark belasten. DNP und TMEIC erstellten jedoch eine umfassende Datenbank aller Herausforderungen. Dieser Ansatz ist in der Forschung an Universitäten mit begrenztem Personal selten anzutreffen, und ich empfand dies als einen entscheidenden Unterschied.

Kitagaki: Um die gesellschaftliche Umsetzung zu fördern, ist es meiner Ansicht nach notwendig, die Herausforderungen – auch jene, die den Kern der Forschung betreffen – zu visualisieren und sie im Zuge der Informationsvermittlung zu lösen. In diesem Projekt haben wir die Herausforderungen in solche unterteilt, die in Zusammenarbeit mit der Universität gelöst werden sollten, und solche, die durch den Einsatz bestehender Technologien bewältigt werden können.

Tokonami: Trotzdem ergaben sich mit jeder Vergrößerung neue Herausforderungen. Jedes Mal, wenn wir die Zellgröße von 2 cm² auf 4 cm und dann auf 10 cm² erhöhten, traten unerwartete Probleme auf. Jedes Mal konsultierten wir DNP und TMEIC und fragten: „Könnt ihr das lösen?“ und nahmen Verbesserungen vor. Kaum hatten wir eine Herausforderung gemeistert, tauchte unweigerlich die nächste auf. Es war ein endloser Kreislauf.

Kitagaki: Generell konzentriert sich die universitäre Forschung eher auf die detaillierte Untersuchung im Labormaßstab (in den Anfangsphasen also im kleinen Maßstab), während wir in Unternehmen eher auf die Skalierung hin zur praktischen Anwendung abzielen. Ich denke, das ist der Unterschied zwischen Forschung und Entwicklung und Technologieentwicklung. Trotz dieser unterschiedlichen Perspektiven arbeiten die drei Parteien in diesem Projekt in einer sehr offenen und wertschätzenden Zusammenarbeit auf das gemeinsame Ziel der praktischen Anwendung hin. Sie tauschen Meinungen offen aus, ohne sich durch ihre jeweiligen Positionen einschränken zu lassen, und bewältigen gemeinsam Herausforderungen. Ich finde, das ist für ein Kooperationsprojekt zwischen Industrie und Wissenschaft eher ungewöhnlich und eine wertvolle Partnerschaft.

Da die mikrobielle Stromerzeugung noch keine etablierte Technologie ist, könnte die Tatsache, dass wir uns noch im Prozess des Aufbaus eines Weges zur praktischen Anwendung durch Versuch und Irrtum befinden, einer der Gründe für unser flaches Verhältnis sein.

— Die mikrobielle Energieerzeugung von Professor Tokonami und Professor Iida hat ein beispielloses Leistungsniveau erreicht. Was genau macht sie so überlegen?

Iida: Es gibt andere Studien zur mikrobiellen Energieerzeugung, aber die Einzigartigkeit und die Merkmale des Ansatzes in unserer Forschung, an der Professor Tokonami und ich gearbeitet haben, bestehen darin, dass wir Licht nutzen können, um Mikroorganismen in einer um Größenordnungen höheren Dichte als bei herkömmlichen Methoden sofort zu sammeln.

Tokonami: Bei anderen Forschungsarbeiten zur mikrobiellen Stromerzeugung ist es notwendig, die Anzahl der Mikroorganismen zu erhöhen, also sie zu kultivieren. Dies stellt die Herausforderung dar, dass die Stromerzeugung nicht sofort starten kann, wenn Strom benötigt wird. Es dauert eine gewisse Zeit, bis eine stabile Stromerzeugung möglich ist. In unserer Forschung hingegen können wir mithilfe der „Photokonzentration“ innerhalb von Sekunden bis wenigen Minuten Zehntausende von Zellen sammeln, sodass die Stromerzeugung in kürzester Zeit möglich ist. Wir sehen diese Unmittelbarkeit als einen großen Vorteil.

— Wie viel Strom kann es tatsächlich erzeugen?

Tokonami: Aktuell ist es uns gelungen, LEDs durch die Reihenschaltung von drei Zellen zum Leuchten zu bringen. Wir planen, dies auszuweiten, um eine praxistaugliche Stromerzeugung zu erreichen.

Kitagaki: Im Labormaßstab konnten wir die Größe der Zellen auf 10 cm² vergrößern. Außerdem ist es uns gelungen, durch das Stapeln von Zellen, die zuvor als einzelne Einheit arbeiteten, noch mehr Leistung zu erzeugen.

Andererseits haben wir jedoch auch einige Stabilitätsprobleme festgestellt. Im nächsten Schritt werden wir das System optimieren, um die Stabilität sowohl bei der Stromerzeugung als auch bei der Abwasserbehandlung zu gewährleisten. Gleichzeitig streben wir eine weitere Vergrößerung der Anlage an.

— Als Sie auf der Weltausstellung sprachen, erwähnten Sie, dass „Kläranlagen zu Kraftwerken werden“. Könnten Sie uns etwas über die Zukunft erzählen, die Sie drei sich vorstellen?

Tokonami: Der Sommer 2025 brachte Rekordtemperaturen mit sich, wodurch der Klimawandel dringlicher denn je spürbar wurde. Wenn ich an die Zukunft denke, überkommt mich ein starkes Gefühl der Krise, wenn ich mir überlege, ob die Erde auch für die nächste Generation und darüber hinaus ein lebenswerter Lebensraum bleiben wird. Angesichts dieser Herausforderungen bin ich überzeugt, dass die mikrobielle Energieerzeugung als eine der nachhaltigen Energietechnologien eine wichtige Rolle spielen kann.

Aktuell verbrauchen Kläranlagen enorme Mengen an Energie zur Wasseraufbereitung. Sollte die mikrobielle Energieerzeugung jedoch praktikabel werden, ließe sich Energie direkt aus dem Aufbereitungsprozess zurückgewinnen. Dadurch könnten Kläranlagen von reinen Stromverbrauchern zu reinen Energieerzeugern umgestaltet werden. Wir bezeichnen dieses System als „mikrobielle Energieerzeugung zur Umweltreinigung“.

Kitagaki: Wenn die mikrobielle Stromerzeugung praktikabel wird, könnten Kläranlagen und Kraftwerke an einem Standort zusammengeführt werden. Ein weiterer großer Vorteil ist die flexible Anpassungsfähigkeit der Systemgröße an die jeweilige Anwendung und die spezifischen Anforderungen. Da sich das System sowohl als großflächige, zentrale Anlage als auch als kleines bis mittelgroßes, autonomes, dezentrales System realisieren lässt, kann diese Technologie meiner Meinung nach zur Lösung gesellschaftlicher Probleme in Japan beitragen, wie etwa der Überbevölkerung in Großstädten und der Landflucht.

Ishikawa: Ohne Wärme oder _CO₂ in die Umwelt abzugeben, können wir gleichzeitig drei Werte aus Abwasser gewinnen: gereinigtes Wasser, Sauerstoff und Strom. Es reinigt das Wasser und die Luft. Wir glauben, dass es sich um ein Energieerzeugungssystem mit beispiellosen Eigenschaften handelt.

Inouchi von DNP: DNP stellt sich aktuell der Herausforderung, im neuen Energiefeld Mehrwert zu schaffen. Im Rahmen des Konzepts „Energieerzeugung im Alltag“ ist die mikrobielle Stromerzeugung das fortschrittlichste Projekt. Auf der Expo 2025 in Osaka-Kansai stellten wir dieses Projekt im Rahmen der Future Life Experience (FLE) in der Co-Creation-Zone „Future Life Village“ vor, wo es auf großes Interesse stieß.

Iida: Ich hoffe, dass nach dem Lesen dieses Artikels neue Unternehmen und Partner entstehen, die denken: „Das klingt interessant“ oder „Ich möchte mitmachen“. Ich wünsche mir, dass sich diese umweltfreundliche mikrobielle Energieerzeugung in ganz Japan und weltweit verbreitet, die Umwelt ganzer Regionen verbessert und gleichzeitig die Grundlage der Gesellschaft mit nachhaltiger Energie stärkt. Ich hoffe, dass sich eine solche Zukunft eröffnet.

— Bitte erzählen Sie uns von Ihren Zukunftsplänen.

Tokonami: Wir setzen zunächst auf das Jahr 2030, in dem die Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) erreicht werden sollen, als Meilenstein. Wir wollen einen konkreten Weg zur praktischen Anwendung der mikrobiellen Stromerzeugung aufzeigen und sie als Technologie etablieren, die zur Klimaneutralität beiträgt.

Kitagaki: Ich glaube, dass eines unserer Ziele für 2030 darin bestehen wird, Strom zu erzeugen und gleichzeitig einen Beitrag zur Umweltsanierung in unseren Gemeinden zu leisten. Beispielsweise ist geplant, ein Abwasseraufbereitungsgerät zu vermarkten, das etwa so groß ist wie eine hauseigene Klärgrube und Haushaltsabwasser aus Bädern und Toiletten zur Reinigung und Stromerzeugung nutzt. Die erzeugte elektrische Energie soll ausreichen, um das Gerät selbst zu betreiben und Mobiltelefone usw. aufzuladen.

Tokonami: Darüber hinaus erwägen wir auch größere Abwasserbehandlungsanlagen. Wenn wir mikrobielle Stromerzeugungssysteme in Küstenregionen in ganz Japan, einschließlich der Bucht von Osaka, einsetzen können, könnten wir das System theoretisch so ausbauen, dass es Millionen oder sogar Dutzende Millionen Haushalte mit Strom versorgt.

Ishikawa: Mich hat dieses Projekt aufgrund seines technologischen Reizes fasziniert, aber solange wir es nicht in etwas Nützliches für die Gesellschaft umsetzen können, wird es keinen Wert für das Unternehmen schaffen. Wir werden stetig auf das Ziel der gesellschaftlichen Anwendung hinarbeiten.

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