Technik

Vorbild Zitteraal: Forscher imitieren Strom-Phänomen

von Carola Franzke

Ein Zitteraal auf gelb-grünem Grund.
Der Zitteraal besitzt ein Organ, das Strom erzeugen kann. Dieses natürliche Phänomen haben Forscher aus der Schweiz nachgebaut. Foto: Shutterstock / tristan tan

Das erfahren Sie gleich:

  • Wie ein Zitteraal Strom erzeugt
  • Wie Wissenschaftler mit Hydrogel die Natur imitieren
  • Warum Origami-Technik die Leistung erhöht

Mit Hydrogel, Wasser und Salz kopieren Forscher in der Schweiz das Prinzip, mit dem Zitteraale Strom erzeugen – eine alte Origami-Falttechnik hilft dabei.

Zitteraale: Organ namens Elektroplax erzeugt Strom

Wissenschaftlern an der Universität von Freiburg in der Schweiz (Université de Fribourg) ist es gelungen, das Prinzip nachzubilden, mit dem Zitteraale Strom erzeugen. Mit dieser Technik ließen sich zukünftig Herzschrittmacher antreiben.

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Die Tiere haben an den Seiten sozusagen eine „Batterie“: Reihen von Zellen, in denen jeweils Überschüsse an Kalium- oder Natriumionen herrschen. Das elektrische Organ – der Fachbegriff lautet „Elektroplax“ – bedeckt insgesamt etwa 80 Prozent des Körpers eines Zitteraals. Im Ruhezustand ist das völlig harmlos.

Wenn sich der Zitteraal aber bedroht fühlt oder auf Jagd geht, hat er die Fähigkeit, seine Zellmembranen durchlässig zu machen. Durch die unterschiedlichen Ladungen der Kalium- und Natriumionen fließt dann Strom. In Sekundenschnelle kann der Fisch so Spannungsimpulse von 600 bis 800 Volt bei einer Leistung von etwa 100 Watt und mehr erzeugen.

Neben dem Zitteraal gibt es übrigens 250 Fischarten, die einen Elektroplax besitzen, um mit Hilfe von Stromschlägen zu jagen oder sich zu verteidigen.

Wissenschaftler imitieren Natur mit Hydrogel

Im Labor – unter einem hochauflösenden Elektronenmikroskop – nachgebildet sieht das so aus: Auf einer ultradünnen Membran, dem sogenannten Trägerfilm, sind bunte Punkte zu sehen, die in einem Ziehharmonika-Muster gefaltet sind.

Die „bunten Punkte“ sind kleine Tröpfchen aus verschiedenen Sorten Hydrogel, zwischen denen Spannung besteht. Treffen die Punkte aufeinander, bewegen sich unterschiedlich geladene Ionen zwischen den Hydrogel-Tröpfchen – kurzfristig fließt Strom.

Bunte Tröpfchen des Hydrogels, das in seiner Leitfähigkeit den Zitteraal imitiert.
Von der Natur abgeschaut: Die bunten Tröpfchen bestehen aus Hydrogel, das den Stromfluss möglich macht. Foto: Universität Freiburg

Natrium und Chlorid statt Kalium und Natrium

Salzwasser als Basis für Batterien, an diesem Prinzip arbeiten derzeit auch Wissenschaftler des Schweizer Forschungsinstituts Empa. Die Forscher setzen in ihren Hydrogel-Tröpfchen aber Salz- und Süßwasser ein. Die enthalten Natrium- und Chloridionen – anstelle von Kalium- und Natriumionen wie beim Zitteraal.

Die Zellmembranen werden im experimentellen Aufbau der Forscher von weiteren Hydrogel-Tröpfchen imitiert, die jeweils nur negativ geladene Anionen oder positiv geladene Kationen durchlassen.

Kommen die Tröpfchen in Kontakt, sorgt das Konzentrationsgefälle der Ionen dafür, dass sie aus den Salzwasser-Tröpfchen in die Süßwassertröpfchen fließen. Die verbindenden Tröpfchen lassen jeweils nur eine Ionensorte durch. So entsteht eine gerichtete Bewegung von Elektronen: Strom.

Zitteraale: Millionen Jahre Evolution

Der Gedanke ist geradezu genial: Mithilfe einer Origami-Falttechnik lässt sich die Anzahl der gleichzeitig verbundenen Tröpfchen erhöhen – und damit auch die erzeugte Stromstärke. Die Hydrogel-Tröpfchen können eine Spannung von 110 Volt erzeugen.

Gefaltet wie Origami schafft das System bislang 27 Milliwatt pro Quadratmeter der Hydrogel-Oberfläche. Im Vergleich zum tierischen Vorbild ist das immer noch extrem wenig. Doch der Zitteraal, der zur Art der Neuwelt-Messerfische gehört, hatte auch viele Millionen Jahre Zeit, seine Stromtechnik zu perfektionieren.

Trotzdem sind die Forscher zuversichtlich, dass sich so eine verträgliche biologische Batterie entwickeln lässt, mit der man Herzschrittmacher, Sensoren und andere medizinische Implantate antreiben könnte.

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