Von der Energieerzeugung bis zur Erforschung des Weltraums: Mikroalgen bieten eine nachhaltige Zukunft

Das Leben entstand im Ozean. Im Ozean ist die einfachste und primitivste einzellige Meerespflanze der Nährstoff am unteren Ende der marinen Nahrungskette und unterstützt das Wachstum von Meeresorganismen und die Evolution des Lebens.

Seetang entstand vor 3,5 Milliarden Jahren und gilt in der biologischen Welt als lebendes Fossil. Es unterstützt weiterhin die Vielfalt der Lebenssysteme mariner Organismen. Seetang ist reich an Wirkstoffen und Nährstoffen. Die Bedingungen für sein Wachstum lassen sich leicht schaffen und es braucht nur Wasser und Licht, um prächtig zu wachsen.

Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie werden immer mehr wichtige Werte von Meeresalgen entdeckt. Das Unternehmen ist beispielsweise in den Bereichen funktionelle Lebensmittel, Lebensmittelzusatzstoffe, landwirtschaftliche Züchtung, Umweltschutz und anderen Bereichen aktiv. Kürzlich hat eine wissenschaftliche Studie darüber, wie die Elektrizität aus Blaualgen Computer-Mikroprozessoren ein Jahr lang mit Strom versorgen kann, in der wissenschaftlichen Forschung für hitzige Diskussionen gesorgt. Die potenzielle Stromerzeugungskapazität von Cyanobakterien gibt Anlass zur Hoffnung auf Nachhaltigkeit für die verschiedenen energiesparenden IoT-Geräte, die derzeit in der digitalen Welt verwendet werden.

Verborgene „Kraft“ in lebenden Fossilien

Die Forschung wurde von einem Team der Universität Cambridge, der Universität Mailand und ARM durchgeführt. Der Artikel mit dem Titel „Powering a microprocessor by photosynthesis“ (Stromversorgung eines Mikroprozessors durch Photosynthese) wurde in der wissenschaftlichen Zeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht.

Das gesamte Experiment wurde während der Pandemie-Sperre 2021 durchgeführt und die Forscher begannen die Untersuchung, indem sie ein einfaches Gerät auf die Fensterbank stellten. Der Studie zufolge hat der im Experiment verwendete kleine Stromerzeugungsbehälter nur die Größe einer Batterie Nr. 5 und auch die Materialien des Geräts sind äußerst einfach und bestehen lediglich aus vier einfachen Grundmaterialien: Aluminium, Kunststoff, Cyanobakterien und Wasser.

Das Forschungsteam spekulierte zunächst, dass das Prinzip der Stromerzeugung durch Cyanobakterien entweder darin besteht, dass die Cyanobakterien während der Photosynthese selbst Elektronen in den Plus- und Minuspolen des Geräts erzeugen und dadurch Strom erzeugen, oder dass die Cyanobakterien Bedingungen schaffen, die herkömmlichen elektrochemischen Reaktionen ähneln, indem sie die Aluminiumanode im Behälter korrodieren und so Elektronen erzeugen. Die Versuchsergebnisse zeigten jedoch, dass die Aluminiumanode keinerlei Anzeichen von Zersetzung oder Korrosion aufwies. Das Forscherteam kam daher zu dem Schluss, dass Cyanobakterien den größten Teil des Stroms während der Photosynthese selbst erzeugen.

Während des Experiments von Februar bis August 2021 führte dieser mit Cyanobakterien betriebene Mikrocomputer einige grundlegende Berechnungen durch und berechnete die Summe aufeinanderfolgender Ganzzahlen, um die Rechenlast in einem 45-Minuten-Zyklus zu simulieren. Dabei wurden 0,3 Mikrowatt Strom verbraucht, im Standby-Modus betrug der Stromverbrauch 0,24 Mikrowatt. Der Computer speichert die gemessenen Ausgangsstromwerte zur Analyse durch das Forschungsteam in der Cloud.

Das Forschungsteam ging zunächst davon aus, dass das System nach einigen Wochen seinen Dienst versagen würde. Allerdings rechneten sie nicht damit, dass die Cyanobakterien sechs Monate lang Tag und Nacht ununterbrochen Strom erzeugen und damit das Experiment abschließen könnten. Darüber hinaus erzeugten die Cyanobakterien auch nach dem Experiment weiterhin Strom und sind bis heute in Betrieb. Bei Dunkelheit in der Nacht können Cyanobakterien den Betrieb von Computersystemen unterstützen, indem sie die während der Photosynthese gespeicherte Energie tagsüber freisetzen.

Wir können feststellen, dass Cyanobakterien zwar die Fähigkeit besitzen, Elektrizität zu erzeugen, die freigesetzte Elektrizitätsmenge jedoch relativ gering ist und es sich derzeit lediglich um eine Systemüberprüfung der Stromerzeugung durch Cyanobakterien handelt. CJ Howe, der korrespondierende Autor des Artikels, sagte außerdem: „Zum jetzigen Zeitpunkt wird die Installation eines Cyanobakterien-Generators auf Ihrem Dach nicht genug Strom für Ihr Haus liefern. Es gibt noch viel zu erforschen.“

Das gesamte Stromerzeugungssystem aus Cyanobakterien ist einfach und leicht aufzubauen. Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien oder Solarenergie belasten Algen die Umwelt weniger und können kontinuierlich Strom liefern. Der Erfolg dieses Verifizierungssystems zur Stromerzeugung durch Cyanobakterien macht die Stromerzeugung durch Cyanobakterien, eine nachhaltige, umweltfreundliche und kostengünstige Energiequelle, in Zukunft auch zu einer möglichen Energieversorgungsmethode für verschiedene Sensorgeräte im Internet der Dinge. In einigen abgelegenen Gebieten mit mittlerem und niedrigem Einkommen können einigen Menschen Stromversorgungsdienste für Mobiltelefone und Sensorgeräte mit geringem Stromverbrauch zur Verfügung gestellt werden.

Mikroalgen: Der neue Liebling des Biokraftstoffs

Obwohl der von Cyanobakterien erzeugte Strom schwach ist, ergeben sich für das von Cyanobakterien freigesetzte Energiepotenzial, sofern die maßstabs- und technologisch bedingten Beschränkungen überwunden werden, breite Anwendungsaussichten im Internet der Dinge und in der digitalen Welt, in der alles miteinander verbunden ist.

Wir wissen, dass IoT-Geräte für ihre Stromversorgung eine nachhaltige, kostengünstige und dezentrale Stromquelle benötigen. Obwohl der Stromverbrauch eines einzelnen IoT-Geräts sehr gering ist und im Mikrowatt- bis Milliwattbereich liegt, liegt seine Zahl, wenn man alle IoT-Geräte zusammenzählt, bei Milliarden. Laut Statistik wird dieser Wert bis 2035 auf eine Billion ansteigen, was auch bedeutet, dass der dafür benötigte Energie- und Materialverbrauch enorm ist. Wenn wir umweltschädliche, kostengünstige und nachhaltige biologische Ressourcen wie Cyanobakterien nutzen, tragen wir ebenfalls wesentlich zu einer kohlenstoffarmen und nachhaltigen Zukunft bei.

Am 10. Mai veröffentlichte die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission zudem erstmals den „14. Fünfjahresplan zur Entwicklung der Bioökonomie“ (nachfolgend „Plan“ genannt). Darin wird die Notwendigkeit der Entwicklung der Bioökonomie betont und die Entwicklung von vier Schlüsselbereichen klar priorisiert: Biomedizin, Biolandwirtschaft, Biomassesubstitution und Biosicherheit.

Der „Plan“ betrachtet die synthetische Biologie als eine der nationalen strategischen wissenschaftlichen Kräfte zur Beschleunigung der innovativen Entwicklung der Bioökonomie und erwähnt sie mehrfach.

Zu den wichtigsten biologischen Quellen, die derzeit in der synthetischen Biologie verwendet werden, gehören Escherichia coli, Hefe und Mikroalgen. Aufgrund ihrer Arten- und Produktvielfalt sowie ihrer effizienten Photosynthese- und Kohlenstofffixierungsfähigkeiten haben sich Mikroalgen zu einer hoch angesehenen biologischen Basismatrix im Bereich der synthetischen Biologie entwickelt.

Gewöhnliche Mikroalgen können Nutzpflanzen wie Mais in der Lebensmittelverarbeitung und auf Futtermittelfeldern ersetzen. Am Beispiel von Futterproteinen liegt der Proteinertrag von Mikroalgen gemäß einschlägiger Forschung bei 4–15 Tonnen pro Hektar und Jahr, was viel höher ist als der Proteinertrag von Weizen und Bohnen von 0,6–1,2 Tonnen pro Hektar und Jahr. Mikroalgen können Nahrungsmittelkrisen lindern, die durch Klimaauswirkungen und Mangel an Humanressourcen verursacht werden.

In den letzten Jahren haben sich Mikroalgen auch zum neuen Favoriten für Biokraftstoffe entwickelt. Algen können durch Photosynthese Kohlendioxid in der Atmosphäre binden und in Zucker und Pflanzenproteine ​​umwandeln. Sie können außerdem Wasserstoff erzeugen und Abwasser durch Reaktionen reinigen. Sie können der Menschheit eine günstigere, umweltfreundlichere und nachhaltigere Energieversorgung und Methode zur Kohlenstofffixierung bieten. Unter den verschiedenen Arten sauberer Energie verfügen sie über ein enormes Potenzial, das dem anderer Energiequellen in nichts nachsteht.

Durch die gemeinsame Koordination und Erforschung von Strategien und Technologien und unter Berücksichtigung des Trends zu geringer CO2-Emission und Nachhaltigkeit werden Mikroalgen auch bei der Entwicklung der synthetischen Biologie enorme Energie freisetzen und in Zukunft zur wichtigsten Quelle für Biokraftstoffe werden.

Ist die Möglichkeit einer außerirdischen Kolonisierung etwas wahrscheinlicher?

Die Anwendung von Mikroalgen, von der Kohlenstofffixierung über die Freisetzung bis hin zur Nahrungsergänzung, entspricht dem Umweltschutz sowie der Energie- und Nahrungsmittelkrise, den Entwicklungsdilemmas, die wir derzeit am meisten lösen müssen. Für Lebewesen ist nachhaltiges Überleben das Ziel der Fortpflanzung und Evolution. Der Wachstumsprozess von Mikroalgen kann diese drei Entwicklungsherausforderungen gleichzeitig abdecken und eine Lösung dafür bieten.

Wenn im Zuge der Weiterentwicklung der Biotechnologie die technischen Beschränkungen und Skalierungsprobleme der aktuellen Mikroalgenentwicklung gelöst werden, kann das gesamte Wachstum von Mikroalgen in einem geschlossenen Kreislaufsystem gestaltet werden: Durch Photosynthese binden Mikroalgen Kohlendioxid aus der Atmosphäre und wandeln es in Algenzellen in Proteine, Zucker und Lipide um, während sie gleichzeitig Strom erzeugen und Sauerstoff freisetzen.

Derzeit ist bekannt, dass es auf der Erde mehr als 300.000 Mikroalgenarten gibt, von denen 30.000 erfasst sind, aber nur ein Dutzend Arten wie Spirulina und Chlorella wurden kommerziell entwickelt. Die gesamte Mikroalgenindustrie verfügt noch immer über einen großen Marktraum. Laut Credence Research wurde der globale Markt für Algenprodukte im Jahr 2018 auf 33,9 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2027 56,5 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 6,0 % zwischen 2019 und 2027. Der zukünftige Billionen-Dollar-Markt für Mikroalgen im Blauen Ozean wird ins Rampenlicht rücken und mehr Aufmerksamkeit von Wissenschaft, Industrie und Investmentkreisen erhalten.

Mikroalgen verfügen über eine extrem hohe Toleranz und Anpassungsfähigkeit. Das geschlossene Kreislaufsystem benötigt einfache Rohstoffe, lediglich Wasser und Licht. Es werden weder Ackerland noch Düngemittel, Pestizide oder große Mengen Süßwasser benötigt, wodurch viele häufige ökologische Schäden wie Abholzung, Verlust der Artenvielfalt, Wüstenbildung und Umweltverschmutzung vermieden werden. Auch das bei der Produktion der Mikroalgen verwendete Wasser kann nach der Ernte wiederverwendet werden.

Die Effizienz der Kohlendioxidfixierung und der Photosynthesemechanismus von Mikroalgen bieten der Menschheit neue Chancen und Möglichkeiten für eine nachhaltige Entwicklung. Mikroalgen werden derzeit vor allem in Produkten mit hoher Wertschöpfung eingesetzt, unter anderem im medizinischen und Lebensmittelbereich. Beispielsweise die Biosynthese einiger Mikroalgen, genetische Experimente und die Entwicklung grüner und nachhaltiger Algennahrung. In Zukunft werden wir uns vor allem auf Durchbrüche bei energiebezogenen technologischen Anwendungen konzentrieren, wie etwa bei der oben erwähnten Stromerzeugung und der hocheffizienten Kohlenstofffixierung.

Der aktuelle Forschungsschwerpunkt der Algentechnologie-Experten in der Biosynthese besteht darin, die technischen Grenzen der synthetischen Biologie zu durchbrechen, neue Photobioreaktorsysteme und neue Paradigmen für die Kultivierung von Mikroalgen im Maßstab zu entwickeln, das Energieanwendungspotenzial von Mikroalgen freizusetzen und in Zukunft so schnell wie möglich eine skalierbare Produktion zu realisieren. Mikroalgen können verschiedene Krisen auf der Erde lösen und verfügen zudem über ein enormes kommerzielles Potenzial für die Erforschung des Weltraums.

Wenn man kreativer denkt, könnte ein geschlossenes Kreislaufsystem mit Mikroalgen auch einige menschliche Aktivitäten auf dem Mars unterstützen. Das Hauptgas in der Marsatmosphäre ist Kohlendioxid, das 96 % ausmacht. Wenn dieses geschlossene Kreislaufsystem aus Mikroalgen auf den Mars übertragen werden kann, wird es – vorausgesetzt, dass sie genügend Wasser transportieren – für eine kleine Anzahl von Forschern kein Problem sein, auf dem Mars aktiv zu sein.

Wenn wir uns die Erforschung des Weltraums ansehen, können Mikroalgensysteme auch unsere Aktivitäten im Sonnensystem unterstützen. Die Gase, die wir beim Atmen ausatmen, sind hauptsächlich Stickstoff, Kohlendioxid und Sauerstoff. Unter den derzeit bekannten Mikroalgen gibt es mehr als siebzig Arten, die Stickstoff fixieren können. Diese Cyanobakterien setzen Sauerstoff frei und fixieren Stickstoff, was auch eine Möglichkeit ist, die menschliche Erforschung des Weltraums zu unterstützen. Obwohl diese festgelegten Bedingungen relativ idealistisch sind, basiert die Entwicklung der Wissenschaft auf diesen idealisierten Rahmenbedingungen, die zu den heutigen raschen Veränderungen geführt haben. Dies ist auch Ziel und Antrieb zukünftiger wissenschaftlicher Forschung.

Uralte Meeresalgen mit Milliarden von Lebewesen haben unzählige Lebewesen unterstützt und ernährt und haben im Laufe der Evolution der Erde zahlreiche Veränderungen miterlebt. In der heutigen Welt des schnellen technologischen Wandels verfügen wir über die Werkzeuge, um Mikroalgen eingehender zu erforschen und zu entwickeln. Dieses uralte Leben wird uns weiterhin auf unserem Weg in eine grüne, nachhaltige Zukunft und in den Weltraum unterstützen.