Künstliche Photosynthese als Energiequelle

Von Pflanzen lernen hilft Energie- und Klimaprobleme zu lösen.

Solarzellen aus Chlorophyll und Silbernanopartikeln sind effizientere Lichtsammler als Grünpflanzen. Damit sind sie als regenerative Energiequelle hoch interessant.

Die Photosynthese – oder genauer: die mit Licht induzierte Synthese von Kohlenwasserstoffen – ist ein einziges Konzert aus verschiedenen molekularen Aggregaten. So verhält es sich zumindest bei den höheren Grünpflanzen. Lichtsammlungseinheiten – im Fachjargon auch „Light Harvesting Complexes“ (LHC) genannt – und nachgelagerte Reaktionszentren bilden die Basis dessen, was salopp als Hellreaktion beschrieben wird. Sie stellt energiereiches ATP, NADH und Sauerstoff bereit. Darunter sind Komponenten, die die Zelle befähigen, in der nachfolgenden Dunkelreaktion aus Kohlendioxid und aktiviertem Wasserstoff Glukose zu synthetisieren. So die klassische Lehre.

Die Vorarbeit wurde von der Evolution erledigt

Alle Teilschritte des Prozesses wurden in Jahrmillionen durch Evolution optimiert. Auf der Evolutionsleiter ältere Varianten der Photosynthese nutzen das Sonnenlicht, um an Ort und Stelle die Lichtenergie zu sammeln und direkt zu verwerten. Zum Beispiel für den Betrieb eines aktiven Ionentransportes durch die Zellmembran, wenn in Ermangelung eines sauerstoffhaltigen Milieus die Energie aus einer anderen Quelle kommen muss. In solchen Fällen muss die Photosynthese quasi als Notstromaggregat herhalten. So jedenfalls ermöglichen Retinalproteine in Zellmembranen von Halobakterien das Überleben der Zellen. Die intensiv gefärbten Purpurmembranen der Bakterien lassen schon vermuten: Hier funktioniert die Photosynthese anders als in Grünpflanzen. Insbesondere ist sie weit weniger effizient. Logisch daher, dass sich Forschungen für Solarzellen nach dem Vorbild der Natur an den Tricks der Grünpflanzen orientieren.

Biomimetische Solarzellen aus Chlorophyll und Nanopartikeln

Die LHC bestehen aus einem regelrechten Cocktail von Molelülen mit verschiedenen spektralen Empfindlichkeiten – darunter die bekannten Chlorophylle. Alle zusammen wirken als natürliche Antennen, um Licht vom Ultraviolett bis zum nahen Infrarot einzusammeln. Im Rahmen von Arbeiten an der LMU München wurde ein Peridinin-Chlorophyll-Protein (PCP) als Modellsystem untersucht. Das Ziel: Ein chemisch stabiler Lichtsammelcluster mit höherer Effizienz als die natürlichen LHC. Die Kombination von PCP mit Nanopartikel aus Silber erwies sich als ein viel versprechender Forschungsansatz. Die Fluoreszenzintensität dieses obendrein sehr stabilen Systems war bis zu 18-fach höher als im natürlichen System. Die Forscher erklären die überraschenden Ergebnisse mit der Beteiligung von Plasmonen. Das sind kollektive Anregungen der Silberelektronen an der Silberoberfläche. In diesem Fall sorgen sie mit ihrem induzierten elektrischen Feld dafür, daß die durch das Licht angeregten Elektronen im PCP länger im höheren Energieniveau verweilen.

Regenerative Erzeugung von Wasserstoff im Blick

Andere Arbeiten auf diesem Gebiet – durchgeführt am Institut für Festkörperforschung der Forschungsanlage Jülich – setzen in der Reaktionskette der Photosynthese weiter hinten bei den Reaktionszentren an. Dort nämlich wird aktivierter Wasserstoff in Form der biochemischen Verbindung NADH umgesetzt. In einem vorhergehenden Schritt entsteht dasselbe zusammen mit Sauerstoff aus der Aufspaltung von Wassermolekülen. In den Grünpflanzen wird aus den Ingredentien ATP, NADH und Kohlendioxid wiederum Glukose als Brennstoff und biochemisches Baumaterial. Eine scheinbar einfache Reaktion, doch auf molekularer Ebene verbunden mit einigen sehr reaktiven Zwischenverbindungen. Manche davon sind so aggressiv, dass die grünen Katalysatoren arg verschleißen und permanent ersetzt werden müssen. In einem künstlichen System wäre eine solche Reaktion nicht beherrschbar. Die Prozesse müssen vereinfacht und stabilisiert werden. Gleichzeitig ist eine Neuorientierung auf einen anderen Energieträger als Glukose wünschenswert – beispielsweise Wasserstoff. Es liegt nahe, den molekular aktivierten Wasserstoff in dem Biomolekül NADH gleich zur Produktion von Wasserstoff einzusetzen.

Photosynthese als grüne Elektrolyse von Wasser

Die Jülicher Arbeitsgruppe will der Vision einer grünen Wasserstofferzeugung mit einem wasserlöslichen und chemisch sehr stabilen Rutheniumkomplex näher kommen. Er würde einerseits die Stabilitätskriterien erfüllen und andererseits die Reaktionsketten in die richtige Richtung leiten. Damit wäre die Tür geöffnet, um Wasserstoff als universelle Energiewährung auf nachhaltige Weise herzustellen. Eine direkte Verbrennung in Automotoren oder der Betrieb von Brennstoffzellen sind denkbare Anwendungsmöglichkeiten. Eine hervorragende Ökobilanz inbegriffen.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.