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Hybrid Electronics based on Photosynthetic Organisms

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Grüne Technologie neu definiert

Mittels kombinierter Technologie will ein EU-Forschungsprojekt Pflanzen elektronisch optimieren, um sie für das Umwelt-Monitoring und sogar als Energiespeicher nutzen zu können.

Industrielle Technologien

Als „grüne Technologien“ gelten bislang energiesparende technische Geräte oder technologische Lösungen, die im Kampf gegen den Klimawandel zum Einsatz kommen, weniger jedoch Bäume und andere Pflanzen. Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts HyPhOE waren nun Pflanzen als tatsächlich „grüne“ Technologie. „Genau genommen ist die Photosynthese eine Technologie der Natur, um effizient Sonnenlicht in Energie umzuwandeln und Kohlenstoff aus der Luft zu ziehen“, sagt Eleni Stavrinidou, außerordentliche Professorin für organische Elektronik an der Universität Linköping, Schweden. Laut Projektkoordinatorin Stavrinidou soll HyPhOE grüne Technologie neu definieren. „Die Grenzen zwischen Technologie und Natur verschwimmen, indem natürliche Prozesse in Technologien integriert werden oder die Natur durch Technologien verbessert wird“, ergänzt sie. „Diese Konvergenz wollten wir beschleunigen und auf bahnbrechende Weise eine Symbiose zwischen Photosyntheseorganismen und Technologie herstellen.“ So lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung fortschrittlicher Biohybridsysteme, bei der Organismen, die Photosynthese betreiben, mit intelligenten Materialien und Geräten kombiniert werden. „Letztlich sollen aus unserer Forschungsarbeit elektronisch optimierte Pflanzen hervorgehen, die als Haupterzeuger von Energie dienen oder für das Umwelt-Monitoring mit Sensoren ausgestattet werden können“, erklärt Stavrinidou.

Das Problem an der Wurzel packen

Ein Projektschwerpunkt war die Entwicklung pflanzlicher Biohybridsysteme, die das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze selbst aber nicht stören. „In früheren Forschungen stand noch die elektronische Funktionalisierung von Pflanzenstecklingen im Mittelpunkt. Wir hingegen entwickelten eine Funktionalisierungsmethode für intakte Pflanzen, damit sie ihre biologischen Funktionen ungestört beibehalten, sich entwickeln und wachsen können“, erläutert Stavrinidou. Beispielsweise wird das Wurzelsystem der Biohybridpflanzen von HyPhOE elektronisch unterstützt, um Energie zu speichern. „Bei diesen Pflanzen wird das Wurzelsystem durch die elektronische Funktionalisierung nicht geschädigt, sondern durch den Hybridzustand angeregt, komplexere Wurzeln auszubilden“, erläutert Stavrinidou. Das Projekt entwickelte auch bioelektronische Geräte für das Monitoring und die physiologische Modulation einer Pflanze. Angelehnt an biomedizinische Konzepte entwickelte es Sensoren, die in Pflanzen eingebettet werden können und in Echtzeit etwa schwankende Glukosewerte im Gefäßgewebe eines Baumes überwachen. Zudem wurde ein System für die bioelektronisch stimulierte Wirkstofffreisetzung entwickelt, das pflanzliche Hormone in die Blätter intakter Pflanzen transportiert. „Damit konnten wir pflanzliche Poren, die für Gasaustausch und Transpiration zuständig sind, elektronisch ansteuern – eine Fähigkeit, die sich als hilfreiche Waffe gegen den Klimawandel erweisen könnte“, sagt Stavrinidou.

Enormes Potenzial und künftige Forschungen

Laut Stavrinidou demonstrierte HyPhOE das enorme Potenzial bioelektronischer und biohybrider Systeme für die Pflanzenforschung. „Wir haben ein visionäres Projekt ins Leben gerufen, das auf neuen Technologien für und aus Photosyntheseorganismen basiert“, schließt sie. „Obwohl wir unsere Ziele nicht ganz erreicht haben, macht unsere Arbeit den Weg für weitere Forschungen auf dem Gebiet frei.“ Diese Forschungen werden zum Teil schon durch ein neues Stipendium für Stavrinidou gefördert. Nach dem Erfolg von HyPhOE liegt der Schwerpunkt hier auf der Entwicklung biohybrider Systeme mit Eigenschaften lebender Pflanzenzellen.

Schlüsselbegriffe

HyPhOE, Grüne Technologien, Pflanzen, Klimawandel, Photosynthese, Energie, Biohybrid, Bioelektronik

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26 Januar 2021