Biologischer Wasserstoff

Aus Licht und Wasser Energie ohne Treibhausgase bereitstellen. Weltweit wird intensiv nach neuen Wegen zur Gewinnung von Wasserstoff gesucht. In Berlin wird versucht, den Wegen der natürlichen Photosynthese zu folgen.

Er ist ein besonders umweltfreundlicher Energieträger, der Wasserstoff. Wird er verbrannt, dann fällt als Verbrennungsprodukt ausschließlich Wasser an. Soweit, so gut. Aber reiner Wasserstoff kommt in der Umwelt praktisch nicht vor. Der größte Teil des Wasserstoffvorrates der Erde ist im Wasser, der Verbindung von 2 Wasserstoffatomen mit einem Sauerstoffatom, gebunden. Und dann finden sich noch große Wasserstoffmengen in den Kohlenwasserstoffen, die gasförmig als Erdgas oder flüssig als Erdöl derzeit den Energiehunger der Welt decken oder als Ausgangspunkt für chemische Produktionen dienen.

Derzeitige Gewinnung von Wasserstoff

Überall auf der Welt wird an Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff gespeist werden, oder an Fahrzeugen mit Wasserstoff als Treibstoff gearbeitet. Diese Antriebskonzepte werden als umweltfreundliche Antriebe der Zukunft gehandelt.

Allerdings hat Wasserstoff als Energieträger heute noch ein ganz großes Manko. Wasserstoff wird überwiegend durch die Reformierung von Methan, dem Hauptbestandteil des Erdgases, hergestellt. Dabei entsteht neben Wasserstoff das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid in demselben Umfang, der auch bei direkter Verbrennung des Erdgases anfallen würde.

Die energetische Nutzung von Wasserstoff macht unter dem Aspekt des Klimaschutzes erst dann wirklich Sinn, wenn ein anderer wirtschaftlicher Weg zur Gewinnung von Wasserstoff zur Verfügung steht.

Wasserstoff aus Licht und Wasser

Verschiedene Institutionen sind auf der Suche nach neuen Wegen zur Gewinnung von Wasserstoff. Eine solche Forschungsgruppe ist in dem Berliner Exzellenzcluster UniCat verankert. Zwei Arbeitsgruppen an der Humboldt-Universität Berlin unter der Leitung von Prof. Dr. Bärbel Friedrich und Dr. Oliver Lenz arbeiten gemeinsam mit Wissenschaftlern anderer Institute an diesem Ziel.

Sie folgen dem Motto „Kreativ von der Natur lernen“. Biologische oder biologisch inspirierte Verfahren zur Wasserstofferzeugung sind nach Meinung der Wissenschaftler auf lange Frist eine attraktive Alternative zur derzeitigen Energieversorgung.

Sie gehen deshalb daran, die fundamentalen Prozesse der Photosynthese in den Pflanzen zu untersuchen und verstehen zu lernen. Ihr Ziel ist es, die Protonen und Elektronen aus der durch die Photosynthese erfolgten Spaltung von Wasser gezielt zusammen zu führen, damit sich Wasserstoffmoleküle bilden können.

Diesen Prozess unterteilen die Wissenschaftler in drei „molekulare Maschinen“: Die Photosysteme I und II und die Hydrogenase.

Ein Photosystem wird von Proteinen und den Pigment-Molekülen Chlorophyll und Carotinoid gebildet. Diese erzeugen unter Einwirkung von Licht bei der oxygenen Photosynthese chemische Energie. Das Photosystem I liefert die positiv geladenen Wasserstoffionen.

Hydrogenasen sind Enzyme, die bei der reversiblen Zweielektronen-Oxidation des molekularen Wasserstoffs als Katalysator wirken.

Es ist nun bereits gelungen, das Photosystem I und Hydrogenase zu koppeln. Nun wird angestrebt, die untersuchten Hydrogenasen, die auch bei Anwesenheit von Sauerstoff arbeiten, in photosynthetische Bakterien einzuführen und so die Spaltung von Wasser direkt mit der Wasserstoffbildung zu koppeln.

Der Umkehrprozess in der Brennstoffzelle

In Zusammenarbeit mit Fraser Amstrong und Kylie Vincent von der britischen Oxford University wurde ein Miniaturmodell einer biologischen Brennstoffzelle entwickelt. In dieser Zelle wird an einer mit Hydrogenasen beschichteten Graphitanode molekularer Wasserstoff in Elektronen und Protonen getrennt. Auch die Kathode ist aus Graphit und wird mit Laccasen beschichtet. Laccasen sind ebenfalls Enzyme. Sie katalysieren die Reduktion von Sauerstoff. An dieser Kathode wird der Sauerstoff mit den Protonen und den Elektronen zu Wasser. Zwischen beiden Elektroden stellt sich ein Stromfluss ein (siehe Bild).

Das große Plus dieser Brennstoffzelle gegen die bisher eingesetzte Technik sind die Elektroden. Diese enthalten das Edelmetall Platin und sind daher entsprechend teuer.

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