Künstliche Blätter

Das Prinzip der pflanzlichen Photosynthese wurde mit künstlichen Blättern nachempfunden. Genau wie echte Pflanzen, wandeln diese Sonnenergie in Kraftstoffe um. Die Blätter aus dem Labor könnten besonders Haushalten in Entwicklungsländern als billige Energiequelle dienen.

Ohne Photosynthese gäbe es kein Leben in der uns bekannten Vielfalt auf der Erde. Durch diesen photochemischen Prozess erzeugt die Natur aus Sonnenenergie und Wasser schätzungsweise jährlich etwa 150 Milliarden Tonnen energiereiche Kohlenhydrate und als Nebenprodukt eine ebenfalls gigantische Menge an Sauerstoff. Gelänge es, diesen Energieprozess künstlich nachzubauen, könnte die Menschheit möglicherweise ganz auf fossile Brennstoffe wie Kohle, Öl und Gas verzichten.

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Wissenschaftlern ist es nun gelungen künstliche Blätter zu entwickeln, die unter Sonnenbestrahlung in Süß- und Salzwasser, reinen Wasserstoff produzieren. Legt man die aus Halbleiterfolien bestehenden „Blätter“ in ein Glas Wasser, steigt der frei werdende Wasserstoff in kleinen Bläschen auf. Er kann direkt genutzt werden, um  beispielsweise Brennstoffzellen zur Stromproduktion anzutreiben oder Flüssigtreibstoffe wie Methanol zu erzeugen.

Bedingungen wie in den Chloroplasten

In der natürlichen Photosynthese wird der Wasserstoff normalerweise unter der Fixierung von Kohlendioxid als Rohrzucker und Stärke gespeichert. Die meiste Sonnenenergie ist jedoch nicht in der Produktion von Kohlenhydraten-, sondern in der Spaltung von Wasser gespeichert. Dieser Schritt, der auch als Photolyse bezeichnet wird, liefert den Elektronenfluss, der für den Ablauf der Photosynthese zwingend notwendig ist.

Um das Konzept der Photosynthese abzukupfern, entwickelten Wissenschaftler daher ein künstliches Photolyse-Verfahren, das allein durch Lichteinwirkung angetrieben wird.
Die größte Schwierigkeit bei der Schaffung eines künstlichen Blattes lag jedoch für die Forscher darin, Bedingungen zu schaffen, wie sie auch in Pflanzen vorliegen.

Chemische Katalysatoren übernehmen die Funktion der Pflanzenenzyme

In pflanzlichen Chloroplasten sind die Lichtsammlung und die Wasserspaltung räumlich getrennt und werden durch einen Elektronenfluss „kurzgeschlossen“.  Die Oxidation von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff wird in Pflanzen vom sogenannten OEC Komplex des Photosystem II (PSII) übernommen. Die Wasserstoffprotonen, die dabei als Nebenprodukte entstehen, werden wiederum vom Photosystem I (PSI)  aufgefangen. Mit Hilfe eines Enzyms, der Ferredoxin-NADP Reduktase, wird der Wasserstoff schließlich in Form von NADPH gespeichert und in den Calvin-Zyklus zur Produktion von Kohlenhydraten eingespeist.

In den Laborblättern übernehmen chemische Katalysatoren die Funktion der Enzyme. Die Folien bestehen aus Siliziumfäden, die mit unterschiedlichen Metalllegierungen bedampft sind und das Sonnenlicht einfangen. Auf der einen Seite wird das Wasser, ähnlich wie im pflanzlichen OEC-Komplex des PSI, von einer Kobalt-Legierung gespalten und es entstehen Sauerstoff und Wasserstoffprotonen. Diese werden an die Rückseite weitergeleitet, wo der Wasserstoff entsteht. Mit diesem Design soll es möglich werden, den Wasserstoff auf der einen Seite direkt für die Treibstoffproduktion abzuzapfen.

Erschwingliche Energie für alle

Bisher wurden künstliche Blätter aus teuren Materialien wie Platin und Iridium hergestellt. Die Katalysatoren der neuen Technik bestehen dagegen ausschließlich aus preisgünstigen Metallen, die reichlich vorhanden sind, wie beispielsweise Kobalt, Nickel, Molybdän und Zink. Das neue Verfahren, so zeigen die Ergebnisse der Studie, funktioniert sogar in normalem Leitungs-, Fluss- und Meerwasser und die Kobalt-Legierung rostet im Gegensatz zu früher verwendeten Katalysatoren nicht. Damit rückt die Praktikabilität der künstlichen Blätter in greifbare Nähe.

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Vor allem arme Haushalte in Entwicklungsländern könnten von dieser einfach zu handhabenden und kostengünstigen Technik profitieren und ihren eigenen Solarstrom produzieren. Doch auch der stetig wachsendende Energiehunger der Industriestaaten verlangt nach neuen Lösungen. Fossile Rohstoffe wie Öl, Gas und Kohle werden knapper und teurer und tragen mit ihren CO2-Emissionen maßgeblich zum Klimawandel bei.

Die Wasserstoffgesellschaft

Wasserstoff gilt hingegen als universeller Energiespeicher, der zudem umweltfreundlich ist. Denn bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen keine Schadstoffe, nur Wasser. Experten sprechen futuristisch deshalb von einer Wasserstoffgesellschaft. Noch ist dessen Produktion mit den bisher etablierten Verfahren  jedoch zu ineffizient. Nur 1,5 Prozent des weltweiten Energiebedarfes werden derzeit durch die Nutzung von Wasserstoff gedeckt. Ausgangstoffe für die Wasserstoffproduktion sind derzeit hauptsächlich Erdgas und Schweröl.

Die hier vorgestellte Methode könnte daher ein sinnvoller Ansatz für neue Entwicklungen sein. Denn im Vergleich zu anderen elektrolytischen Verfahren ist sie drei – 10 Mal effizienter.

Derzeit arbeiten die Forscher daran, ihre künstlichen Blätter für den industriellen Maßstab auszubauen. Idealerweise können sie mit der künstlichen Photosynthese einen innovativen Beitrag leisten, die Energieprobleme der Menschheit zu lösen.