Let the sun shine

Ein neu entwickeltes künstliches Blatt produziert aus Sonnenlicht und Wasser solaren Wasserstoff. Vergleichbar mit einem Teilprozess der natürlichen Photosynthese. Der kompakte Prototyp überzeugt in puncto Stabilität, Effizienz und Sicherheit und stellt einen Meilenstein in der Entwicklung der solaren Wasserstofftechnologie dar.

Die Natur macht es vor. Der Mensch bald besser? Die Rede ist vom Grundkonzept der Photosynthese und dem Traum von einer unerschöpflichen Energiequelle. Diesem ist ein Forscherteam nun ein Stück näher gekommen. Es präsentierte kürzlich den Prototypen eines künstlichen Blattes, das anders als sein pflanzliches Pendant ganz ohne Chloroplasten und Chlorophyll auskommt. Stolz erklärt der Entwickler Nate Lewis: „Es gibt nichts vergleichbares, das in puncto Effizienz, Stabilität und Sicherheit an das herankommt, was wir geschaffen haben.“ Doch reicht das aus, um sich durchzusetzen?

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Solarer Treibstoffgenerator

Zugegeben: An ein künstliches Blatt erinnert der Aufbau des Prototypen bei weitem nicht. Eher an eine kleine, handliche Plastikkamera mit transparentem Gehäuse, an das ein paar Schläuche angeschlossen sind. Schaut man jedoch in das vermeintliche Objektiv, wird deutlich, dass der erste Blick getäuscht haben muss. Hinter einer runden durchsichtigen Quartz-Scheibe steigen unzählige, winzig kleine Gasbläschen in einer Flüssigkeit auf.

Was dort zu sehen ist, ist das Ergebnis mehrjähriger Forschungsarbeit und der Beweis, dass eine effiziente Gewinnung von Wasserstoff (H) mit Hilfe von Wasser und Sonnenlicht in einem einzigen Modul zu realisieren ist. Die Forscher nennen es den „solaren Treibstoffgenerator“.

Der Weg der Katalyse

Mikroorganismen, von denen im Kontext der künstlichen Photosynthese oftmals zu hören ist und die die Aufgabe haben, unter Sonnenlicht Wasser in Sauerstoff (O) und Wasserstoff aufzuspalten, sucht man in dem Prototyp vergeblich. Ein Pluspunkt für Lewis, da jene die Stabilität beeinträchtigen. Wie bei allen Lebewesen ist auch ihre Lebensdauer begrenzt. Hinzu kommt, dass sie im Vergleich zu chemischen Katalysatoren langsamer arbeiten. Doch wie gelang es den Forschern dann, die äußerst stabile Wasserverbindung zu knacken, um an den begehrten Wasserstoff zu kommen?

Kernstück ist eine Solarzelle

Sie wählten den Weg der Katalyse. Kernstück des Prototyps ist eine photoelektrochemische Zelle. Eine Solarzelle, die sichtbares Licht in elektrische Energie umwandelt und im Prototyp etwa so groß ist wie ein Daumennagel. Eingelassen in einer Plastikmembran trennt sie das System in zwei Kammern. Die  Vorderseite, durch dessen Glas das zu absorbierende Sonnenlicht einfällt, und die Rückseite. Gefüllt sind beide Kammern mit einem flüssigen Elektrolyt. Beim Prototypen handelt es sich um Kaliumhydroxid (KOH).

Solarzelle, Elektrode und Katalysator in einem Bauteil

Fehlen noch die beiden Elektroden inklusive der Katalysatoren, die für die Spaltung des Wassers benötigt werden. Hier griffen die Forscher zu einem Trick: Sie brachten diese direkt auf beiden Seiten der Solarzelle an und vergrößerten damit nicht nur die Zahl der Elektroden, sondern reduzierten zugleich die Menge an Bauteilen.

So befindet sich in der vorderen Kammer mit dem runden Quartz-Glas die Anode aus einer neu entwickelten Schicht aus Nickeloxid (NiO) und auf der Rückseite die Kathode aus einer Nickel-Molybdän-Legierung (NiMo).

Titaniumdioxid schützt vor Korrosion

Um im Zuge der chemischen Prozesse nicht nur die Elektroden, sondern das gesamte System vor Korrosion zu schützen, kleideten die Forscher den Prototypen von Innen mit einer 62,5 Nanometer dünnen Schicht aus Titaniumdioxid (TiO2) aus. Ein Material, das in Hülle und Fülle produziert und vielseitig verarbeitet wird, u.a. in Zahn- oder Sonnencreme, in Lacken oder Farbe. Es ist das wirtschaftlich bedeutendste Weißpigment und selbst als Lebensmittelzusatzstoff (E171) zugelassen.

Beim Beschichten der Bauteile mussten die Entwickler Acht geben, dass die Schicht so dünn wie möglich bleibt, damit die lichtabhängigen und chemischen Prozesse nicht unnötig beeinträchtigt werden. Doch was läuft nun im Inneren des Prototyps genau ab?

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Separate Gewinnung von Sauerstoff und Wasserstoff

Unter dem einfallenden Sonnenlicht oxidieren an der Photo-Anode die Wassermoleküle des Wassers, infolgedessen Elektronen und Protonen freigesetzt werden und Sauerstoff entsteht. Die freigesetzten Protonen und Elektronen wandern anschließend durch die Membran in die gegenüber liegende Kammer, auf die Rückseite. Zur Kathode, welche deren Zusammensetzung zu Wasserstoffmolekülen übernimmt. Hierbei entsteht der energiereiche Wasserstoff, welcher wie der Sauerstoff zuvor, über zwei separate Schläuche abgeleitet wird und sofort zur Verwendung oder Speicherung zur Verfügung steht.

Alles aus einer Hand

Der Vorteil diesen hier vorgestellten Ansatzes liegt auf der Hand oder besser gesagt: in einer Hand. Lichtabsorption, Erzeugung der elektrischen Energie, Zerlegung des Wassers in seine Bestandteile und Gewinnung von Wasser- und Sauerstoff erfolgen ganz im Sinne der Materialeffizienz in einem einzigen System aus wenigen Bauteilen.

Nickeloxid als preiswerte Alternative

Lewis: „Unsere Arbeit zeigt, dass es tatsächlich möglich ist, Treibstoff aus Sonne und Wasser herzustellen. Und zwar sicher und effizient in einem integrierten System, das noch dazu aus preiswerten Einzelteilen besteht.“ Der Forscher spielt damit auf das verwendete Material für die Anode an: Nickeloxid, welches eine preiswerte Alternative zu Platin (Pt) oder Palladium (Pd) darstellt, im Wirkungsgrad aber trotzdem überzeugt.

Sicherheitsrelevantes Bauteil: die Membran

Als entscheidender Knackpunkt erwies sich vor allem die Entwicklung der Membran. Die Herausforderung war, den Ionenfluss einerseits zu gewährleisten. Andererseits den Gastaustausch zu unterbinden, um die explosionsartige Vereinigung von Wasser- und Sauerstoff zu verhindern (Knallgas-Reaktion). Ein einziger Funken würde genügen, um eine Explosion auszulösen. Im Versuch gelang es den Forschern, beide Gase zu trennen.

Optimierungsbedarf besteht

Und wie sieht es mit der Performance aus? Obwohl die Energieausbeute vielversprechend ist, geben die Forscher zu, dass Optimierungsbedarf besteht. Indem zum Beispiel die Lichtreflektion der schützenden Titanoxid-Schicht auf ein Minimum reduziert wird oder die Lebensdauer des gesamten Systems erhöht wird. Vor allem aber, was die Kosten betrifft. Hier verspricht Lewis: „Wir arbeiten daran, die Technologie um ein Vielfaches günstiger zu machen, um mit anderen Treibstoffen mithalten zu können.“

Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen

Der Prototyp kann daher mehr als Machbarkeitsstudie betrachtet werden, als ein Schritt in die Produktentwicklung. Immerhin produzierte er im Test mehr als 40 Stunden am Stück Wasserstoff bei einer Sonnenenergie-Wasserstoff-Umwandlungseffizienz von rund 10%.

Die Wissenschaftler mahnen daher zur Geduld. Mit dem Prototypen sei man weit vom Verbraucher und einer massentauglichen Technologie entfernt. Die Technologie steckt noch in ihren Kinderschuhen und befindet sich dort, wo sich die Photovoltaik-Technologie vor 25 Jahren befand.

Zur Nachahmung empfohlen

Seit über 100 Jahren treibt die künstliche Photosynthese Forscher, Entwickler und Visionäre um. Aufgrund der hohen Komplexität des Prozesses war und ist es nicht leicht, selbst Teilschritte des Kunststücks der Pflanzen für unsere Anforderungen nachzuahmen, mit Hilfe von Sonnenlicht Wasserstoff aus Wasser zu erzeugen. Motivation stiftet aber nicht nur die Faszination, die Neugier und der Erfindergeist der Forscher, sondern vielmehr der steigende Energiebedarf der Erde, die wachsende Weltbevölkerung, der Klimawandel und die negativen Folgen der fossilen Energiegewinnung für die Ökosysteme.

Wettlauf um Wasserstofftechnologie

Die solare Wasserstofferzeugung gilt als vielversprechende Technologie für die Energieerzeugung der Zukunft. Insbesondere der Weg über die Katalyse. Weltweit liefern sich Forscher und Entwickler zurzeit einen Wettstreit, wenn es darum geht, die Umwandlungseffizienz eigener Technologien anzupreisen, sich gegenseitig zu überbieten. Außerhalb der schützenden Wände ihrer Labore blieben viele jedoch den Nachweis bisher schuldig.

Ein weiterer Aufschlag ist gelungen

Mit der Präsentation des Prototyps ist den Forschern ein weiterer Aufschlag gelungen, der als vielversprechend betrachtet werden kann. Diese Ingenieursleistung macht deutlich, dass der Weg der solaren Wasserstofferzeugung nach dem Vorbild der Natur zukunftsfähig ist.