Die Photosynthese ist der Vorgang, mit dessen Hilfe Pflanzen die Energie der Sonne zur Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Kohlenhydrate und Sauerstoff nutzen. Kohlenhydrate sind aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff zusammengesetzt und dienen natürlich als Nahrungsmittel. Das Ziel der künstlichen Photosynthese besteht nicht nur darin, Geräte und Anlagen zu bauen, um die biologische Photosynthese nachzubilden, sondern es so einzurichten, dass das Endprodukt als eine Art Manna fungieren kann, um den Hunger unserer Zivilisation nach Energie statt ihren Hunger nach Nahrung zu befriedigen.
Die künstliche Photosynthese bietet den Vorteil der CO2-Neutralität, da der durch den Prozess gewonnene Brennstoff dieselbe Menge CO2 an die Umgebung zurückführt, die bei der Synthese entzogen wurde. Aus diesem Grund wurde bereits häufig vorgeschlagen, diesen Vorgang neben der Energieerzeugung auch entscheidend bei der Entfernung überschüssigen Kohlendioxids aus der Atmosphäre zu nutzen.
Künstliche Blätter, Bionische Blätter
Konventionelle Solarenergie nutzt eine Solarzelle zur Stromerzeugung, aber wenn die Energie nicht umgehend genutzt wird, muss sie effizient gespeichert werden oder sie geht verloren. Dies hat sich als großes Problem erwiesen. Im Gegensatz dazu bietet die künstliche Photosynthese den Vorteil, dass das Endergebnis eine stabile Chemikalie ist (ein Kohlenstoff oder etwas anderes), die die Energie in ihren chemischen Bindungen speichert, sodass sie verwendet werden kann, um Energie zu produzieren, wo immer sie benötigt wird.
Einige der sogenannten künstlichen Blätter oder bionischen Blätter produzieren Brennstoffe, die z. B. unmittelbar als Energiequellen zur Stromerzeugung genutzt werden können. Andere dieser Vorrichtungen produzieren energiereiche Verbindungen, die wichtige Bausteine für industrielle Prozesse darstellen. Für die Produktion dieser chemischen Bausteine wäre andernfalls die Zufuhr von Energie aus anderen Quellen erforderlich gewesen, wenn sie nicht aus diesem Prozess abgeleitet worden wären.
Die Natur hilft nach
Einer der interessantesten Aspekte der künstlichen Photosynthese ist die Tatsache, dass es sich bei diesen Projekten ihrer Natur nach um eine Zusammenarbeit von Biologen und Physiktechnikern handelt Dies liegt daran, dass gewöhnlich ein Bakterium die Hauptrolle spielt.
Mit einer Methode, die von Peidong Yang, einem Chemiker am Lawrence Berkeley National Laboratory, entwickelt wurde, fangen spezielle mittels Nanotechnologie hergestellte Drähte das Sonnenlicht auf und wandeln es in sich bewegende energiereiche Elektronen um. Die Drähte schützen die empfindlichen Bakterien vor potenziell schädlichen Chemikalien in der Luft und das System überträgt die Elektronen auf Bakterien, die in dieser Anwendung die Chemikalie Essigsäureester erzeugen. Dies ist ein wichtiger energiereicher chemischer Baustein für viele industrielle Prozesse.
Die Nanodrähte bestehen aus Silizium und Titanoxid, die jeweils bei verschiedenen Wellenlängen Sonnenlicht absorbieren. Als Bakterien wurden Sporomusa ovata verwendet, die dafür bekannt sind, frei bewegliche Elektronen zur Aufspaltung von Kohlendioxid nutzen zu können. In diesem Fall werden die Elektronen von den Nanodrähten statt von einem biologischen Organismus aufgefangen.
Bei diesem Vorgang spalten die Elektronen aus den Nanodrähten Wasser in molekularen Sauerstoff und Wasserstoffionen auf. Die Bakterien, die entlang der Drähte angesetzt und von der Atmosphäre isoliert sind, nehmen Elektronen auf und fügen sie dem CO2 hinzu, um den vorgenannten Essigsäureester zu bilden. Im letzten Schritt wird der Essigsäureester entweder in Brennstoff (wie bei Grünpflanzen) oder in andere nützliche Verbindungen umgewandelt. In der Gesamtreaktion wird aus Kohlendioxid und Wasser mittels der Sonnenenergie Essigsäure und Wasser produziert. Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, diese und ähnliche Ziele mittels rein elektrochemischer Methoden zu erreichen. Ein brauchbares Ergebnis wurde bislang nicht erzielt und Fortschritte waren nur durch Verwendung eines bakteriellen Katalysators möglich.
Laut Yang wurde bei dieser Wiederholung des Projekts lediglich ein Wirkungsgrad von weniger als 1 Prozent für die Umwandlung von Sonnenenergie erreicht, was dem entspricht, was Grünpflanzen in der Natur erzielen. Er erwartet, den Prozess in Kürze auf einen Wirkungsgrad von 3 Prozent zu verbessern, und nimmt an, dass am Ende ein Wirkungsgrad von 10 Prozent für ein kommerziell verwertbares Produkt ausreicht. Es ist auch erwähnenswert, dass andernorts ähnliche Nanodrähte in Anlagen verwendet werden, um einfach auf eine Weise Strom zu erzeugen, die mit der mittlerweile vertrauten Solarzelle vergleichbar ist.
Biologische Fabriken
Die künstliche Photosynthese eröffnet weitere interessante Möglichkeiten. Durch Verwendung anderer Bakterien können ausgangsseitig neben den Kohlenhydraten oder Essigsäureester auch andere Chemikalien erzeugt werden. Alternativ lässt sich die Essigsäure bei Vorhandensein anderer bakterieller Katalysatoren ohne Weiteres in das Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) umwandeln.
Abbildung 1: Künstliche Photosynthese am Lawrence Berkeley National Laboratory. (Quelle: Lawrence Berkeley National Laboratory)
Acetyl-CoA ist ein wichtiger Faktor im tierischen Stoffwechsel und kann, wie das Bild oben zeigt, gut als Ausgangspunkt für die Erzeugung vieler nützlicher chemischer Verbindungen dienen.
Dies eröffnet weitere interessante Möglichkeiten für die künstliche Photosynthese. Noch bevor die künstliche Photosyntese zu einer wichtigen Quelle für Brennstoffe und zu einem signifikanten Absorber von CO2 wird, können sie durchaus als Quelle für Chemikalien hilfreich sein, die sich anderweit nur schwierig auf umweltfreundliche Weise herstellen lassen.
Beim Bionic Leaf-Projekt an der Harvard University wir das als Zwischenschritt gebildete Wasserstoffgas einem genetisch konstruierten Ralstonia eutropha-Bakterium zugeführt, das Isopropanol als Endprodukt bildet. Isopropanol ist ein besonders interessantes Derivat, da es wie Ethanol als Brennstoff eingesetzt werden kann.
Wasserstoffgas am Cal Tech
Die Methode, die am Joint Center for Artificial Photosynthesis des Cal Tech verfolgt wird, besteht in der Verwendung von zwei einzelnen Elektroden, die keine komplexe Chemikalie liefern, sondern die Gase Wasserstoff und Sauerstoff. Eine Elektrode absorbiert die Energie, die aus dem Sonnenlicht gewonnen wird, und nutzt sie, um Wasser in seine Bestandteile Protonen, Elektronen und Sauerstoff aufzuspalten. Die andere Elektrode dient zur Verbindung der Elektronen und Protonen zum Wasserstoffgas. Das einzige Problem besteht darin, dass das gleiche Gemisch häufig auch genutzt wird, um Raketen in den Weltraum zu schicken, sodass nicht besonders betont werden muss, dass Explosionsgefahr besteht, die durch die Einführung einer Membran entschärft wurde, mit der sichergestellt wird, dass diese Gase voneinander isoliert sind.
Auch bei den Elektroden selbst mussten Probleme überwunden werden. Das wichtigste dieser Probleme liegt darin, dass Elektroden bei Wasserexposition eine Form von Rost entwickeln, die ihre Funktion beeinträchtigt. Die Lösung war die Verwendung einer Nickeloxid-Beschichtung zum Schutz der Elektroden. Die neue Beschichtung beeinträchtigt insbesondere nicht die Funktion der Membran, die die gebildeten Gase Wasserstoff und Sauerstoff voneinander trennt. Bis jetzt haben Tests gezeigt, dass die entwickelte Anlage mehrere Hundert Stunden lang sicher, effizient und störungsfrei funktioniert
Auch wenn keine dieser Ansätze in der nahen Zukunft zu einem kommerziell verfügbaren Produkt führen wird, hat sich das Konzept mittlerweile bewährt. Es ist deutlich geworden, dass wir jetzt die Möglichkeit haben, riesige Energiemengen aus Sonnenlicht zu gewinnen und sie sicher und effizient zu speichern, um sie nutzen zu können, wenn sie benötigt wird. Daher ist es nur eine Frage der Zeit, bis wir eine andere realistische Option für eine Energiequelle finden.