01.03.2024 I Hühner machen uns künftig nicht nur am Frühstückstisch glücklich: Forschende der ETH Zürich und der Technischen Universität Nanyang nutzen Hühnerfedern, um Brennstoffzellen kostengünstiger und nachhaltiger zu gestalten.

In der Lebensmittelindustrie fallen enorme Mengen an Abfällen und Nebenprodukten an, so auch in der Geflügelproduktion. Jährlich werden rund 40 Millionen Tonnen Hühnerfedern verbrannt. Das setzt nicht nur große Mengen an CO_2-frei, sondern auch giftige Gase wie Schwefeldioxid.
Forschende der ETH Zürich und der Technischen Universität in Singapur (NTU) haben nun eine Möglichkeit gefunden, diese Federn sinnvoll zu nutzen. Mithilfe eines einfachen und umweltfreundlichen Verfahrens extrahieren sie aus den Federn das Protein Keratin und wandeln es in feinste Fasern um, sogenannte Amyloidfibrillen. Verwendung finden diese Keratinfäserchen schließlich in den Membranen der Brennstoffzellen.

Brennstoffzellen erzeugen CO₂-freien Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff und setzen dabei lediglich Wärme und Wasser frei. Möglich, dass sie künftig eine wichtige Rolle als nachhaltige Energiequelle spielen. Das Herzstück jeder Brennstoffzelle ist eine halbdurchlässige Membran. Sie lässt Protonen durch, blockiert jedoch die Elektronen, wodurch diese dazu gezwungen werden, über einen äußeren Kreislauf von der negativ geladenen Anode zur positiv geladenen Kathode zu fließen. So entsteht elektrischer Strom.

Federn liefern Keratin

In herkömmlichen Brennstoffzellen werden für solche Membranen bislang hochtoxische Chemikalien („Forever Chemicals”) verwendet. Sie sind teuer und in der Umwelt nicht abbaubar. Die von den ETH- und NTU-Forschenden entwickelte Membran hingegen besteht hauptsächlich aus biologischem Keratin, das umweltverträglich und in großen Mengen – Hühnerfedern bestehen zu 90 Prozent aus Keratin – verfügbar ist. Die Membran ist dadurch bereits bei der Herstellung im Labor bis zu dreimal günstiger als herkömmliche Membranen.

„Seit einigen Jahren erforsche ich intensiv verschiedene Möglichkeiten, Lebensmittelabfälle für erneuerbare Energiesysteme zu nutzen”, sagt Raffaele Mezzenga, Professor für Lebensmittel und weiche Materialien an der ETH Zürich. „Mit unserer neuesten Entwicklung schliessen wir einen Kreis: Der gleiche Stoff, der beim Verbrennen CO₂ und giftige Gase freisetzt, ersetzt an seiner neuen Wirkungsstätte giftige Stoffe und verhindert auch die Freisetzung von CO₂, wodurch wir die CO₂-Bilanz verbessern”, so Mezzenga.

Einsatz nicht nur in Brennstoffzellen

Das Ziel, Wasserstoff als nachhaltige Energiequelle zu etablieren, stellt die Forschenden vor weitere Herausforderungen.

„Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, nur leider nicht auf der Erde”, sagt Mezzenga.

Da Wasserstoff hier nicht in reiner Form vorkommt, wird er unter grossem Energieeinsatz hergestellt. Auch dabei könnte die neue Membran künftig gute Dienste leisten. Sie lässt sich nicht nur in Brennstoffzellen einsetzen, sondern auch bei der Wasserspaltung. Bei der sogenannten Elektrolyse wird Gleichstrom durch das Wasser geleitet, worauf sich an der Anode, die dieses Mal positiv geladen ist, Sauerstoff bildet, während an der negativ geladenen Kathode Wasserstoff entweicht. Reines Wasser ist für diesen Prozess zu wenig leitfähig und erfordert oft die Zugabe von Säuren. Die neue Membran ist jedoch protonendurchlässig und ermöglicht so die für die Wasserspaltung nötige Teilchenwanderung zwischen Anode und Kathode, selbst in reinem Wasser.

Patent angemeldet, Investoren gesucht

In einem nächsten Schritt untersuchen die Forschenden, wie stabil und langlebig ihre Keratin-Membran ist und verbessern sie gegebenenfalls. Ein Patent für die Membran ist bereits angemeldet. Nun beginnt die Suche nach Investoren oder Firmen, die die Technologie bis zur Marktreife vorantreiben.