Chemie Ulmer Forscher entwickeln künstliches Blatt

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Ein neues Verfahren, das die Fotosynthese der Pflanzen zum Vorbild hat, könnte bei der sauberen Energieversorgung helfen.

Im Labor der Ulmer Forscher entsteht unter dem Einfluss von Licht aus Wasser Sauerstoff – zu erkennen an den kleinen Gasbläschen im Reaktionsgefäß (Bildmitte). Foto: Universität Ulm
Im Labor der Ulmer Forscher entsteht unter dem Einfluss von Licht aus Wasser Sauerstoff – zu erkennen an den kleinen Gasbläschen im Reaktionsgefäß (Bildmitte). Foto: Universität Ulm

Stuttgart - Bei der Gewinnung von Energie aus Sonnenlicht sind die Ingenieure weit gekommen. Moderne Fotovoltaikzellen setzen mehr als ein Fünftel der Sonnenenergie in Strom um. Die Speicherung ist allerdings nach wie vor schwierig. Batterien sind teuer und die Kapazitäten begrenzt. Die Natur hat das Speicherproblem elegant gelöst: Pflanzen verwandeln Sonnenergie mit Hilfe der Fotosynthese in Zucker – also in chemische Energie, mit der sie sich selbst versorgen und Menschen wie Tieren Nahrung bieten.

Ulmer Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, zumindest einen Teil der Fotosynthese im Labor nachzuahmen. Carsten Streb, Professor für Anorganische Chemie an der Universität Ulm, und sein Kollege Timo Jacob haben es mit ihrer Entwicklung sogar auf die Titelseite der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ geschafft. Zucker kann das „künstliche Blatt“, das über Leuchtdioden mit Licht versorgt wird, allerdings nicht produzieren. „Zunächst haben wir uns nur mit der Gewinnung von molekularem Sauerstoff aus Wasser beschäftigt“, erklärt Streb. Dieser Prozess läuft auch in den Blättern echter Pflanzen ab und ist die wichtigste Quelle für den Sauerstoff in der Erdatmosphäre – der aus Sicht der Pflanzen nur ein Abfallprodukt ist. Wasser besteht aber bekanntlich nicht nur aus Sauerstoff, sondern auch aus Wasserstoff, den die Pflanzen verwenden, um aus dem Kohlendioxid der Atmosphäre Zucker und andere Kohlenhydrate zu produzieren.

Wasserstoff als saubere Energiequelle

Wasserstoff gilt zugleich als saubere Energiequelle der Zukunft. Deshalb arbeiten die Ulmer Forscher auch an Systemen, die aus Wasser mit Hilfe von Lichtenergie direkt elementaren Wasserstoff gewinnen können. „In ein bis zwei Jahren ist das publikationsreif“, sagt Streb. Bereits im vergangenen Jahr hatte das California Institute of Technology (Caltech) ein künstliches Blatt auf der Basis von Halbleitern vorgestellt, das aus Wasser Wasserstoff gewinnen kann. Das System der Amerikaner sei aber noch nicht sehr stabil und gebe bereits nach kurzer Zeit den Geist auf, so Streb.

Ziel der Ulmer Forscher ist ein künstliches Blatt, das sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff produziert – ähnlich wie eine Elektrolyseanlage, die Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in seine beiden Bestandteile spaltet. Diese Technik wird bereits eingesetzt, um überschüssigen Strom aus Sonne oder Wind in die speicherbare Energieform Wasserstoff zu verwandeln. In Fachkreisen ist das Verfahren unter der Bezeichnung „Power-to-Gas“ bekannt. Allerdings bleibe bei der Elektrolyse kaum mehr als die Hälfte der zugeführten Energie erhalten, so Streb. Wie hoch der Wirkungsgrad der Wasserspaltung mit Hilfe von Lichtenergie sein wird, sei derzeit noch schwer abzuschätzen.

Inspiriert von der Natur

„Wir haben uns bei unserer Arbeit von der Natur inspirieren lassen“, sagt der Wissenschaftler. Immerhin hatte die Evolution viele Millionen Jahre Zeit, um die Fotosynthese zu optimieren. Doch anders als lebende Pflanzen, in denen komplizierte Biomoleküle wie das Chlorophyll für chemische Umsetzungen verantwortlich sind, setzen Streb und Jacob anorganische Verbindungen als Katalysatoren ein. Zur Gewinnung von Sauerstoff aus Wasser dient dabei ein Gerüst aus Mangan-Vanadiumoxid, das nach Strebs Worten „den Strukturen in der Natur erstaunlich ähnlich sieht“. Es gebe allerdings einen grundsätzlichen Unterschied: Während die natürlichen Enzyme durch den Sauerstoff angegriffen werden und deshalb immer wieder repariert werden müssten, seien die Metalloxide deutlich robuster und hielten deshalb länger durch.

Ob die Reaktionen im künstlichen Blatt allerdings wirklich so ablaufen wie im natürlichen Vorbild, sei noch nicht zu 100 Prozent geklärt, schränkt Streb ein. Es sei nun mal schwer, die Enzyme der Fotosynthese bei der Arbeit zu beobachten. Der Chemiker gibt zudem zu bedenken, „dass wir bisher nur im Labormaßstab unterwegs sind“. Vor einer möglichen großtechnischen Nutzung seien noch viele Fragen zu klären. Trotzdem glaubt Streb, dass das künstliche Blatt aus Ulm eines Tages einen wichtigen Beitrag zu einer umweltverträglichen Energieversorgung leisten kann.