Die Photosynthese, der Prozess der Umwandlung von Licht in chemische Energie, wurde im 18. Jahrhundert entdeckt – es ist die wunderbar einfache Gleichung, in der Licht plus Kohlendioxid und Wasser zu Energie plus Sauerstoff umgeformt wird. Aber trotz zahlreicher bahnbrechender Fortschritte verstehen wir immer noch nicht ganz, wie dieser Prozess funktioniert – auch wenn wir ihn schon auf verschiedenste Arten nutzen.
Physiker sprechen vom komplexem quantenmechanischem Tunneleffekt, während Biologen und Chemiker sich zwar über einige Elemente des Prozesses einig sind, aber nicht völlig sicher, ob sie zu einem schlüssigen Verständnis des Vorgangs gekommen sind. Nicht verwunderlich daher, dass es derzeit ein heißes Forschungsthema ist, mit Sonnenlicht, das günstig, reichlich vorhanden und sauber ist, den Prozess der Photosynthese zu replizieren, um Energie zu erzeugen.
Die Forschung zur künstlichen Photosynthese begann bereits 1912, als der italienische Chemiker Giacomo Ciamician erste Schritte zum Verständnis der Photosynthese unternahm. Über die Jahrzehnte hinweg hat die Forschung einige Erfolge verzeichnet, hauptsächlich aber unter Verwendung teurer Katalysatoren, die nicht langlebig sind und auch nicht annähernd kosteneffektiv.
Neue technologische Entwicklungen könnten das nun alles ändern! Ein in sich geschlossener und kostengünstiger patentierter Prototyp wurde von deutschen Wissenschaftlern gebaut und ihre Forschungsergebnisse in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Abgeleitet von Pflanzen, wird eine Solarzelle zusammen mit einem Elektrolyseur verwendet, um Wasser in Wasserstoff sowie Sauerstoff zu spalten.
Aus dem Labor und an die Sonne
Mithilfe des Prototypen, den Dr. Bugra Turan und ein Forscherteam des Forschungszentrums Jülich, eines der größten Forschungszentren Europas, gebaut haben, sollen aktuelle Forschungsergebnisse aus dem Labor in ein praxistaugliches Design überführt werden.
Die neuartige Technik ist kostengünstig, verwendet keine seltenen Materialien und könnte schließlich zum kommerziellen Durchbruch der künstlichen Photosynthese führen, um Treibstoff zu erzeugen, der für die Energiesicherheit unerlässlich ist.
Dr. Turan und das Team arbeiten weiterhin daran, skalierbare Einheiten zu bauen, um die Technik zur praktischen Anwendung zu bringen. Durch das in sich geschlossene Design ist es möglich, Elemente miteinander zu verbinden, um eine größere Oberflächen zu schaffen und mehr Sonnenlicht einzufangen, so dass mehr Brennstoff erzeugt wird.
„Die photoelektrochemische Wasserspaltung wurde bis jetzt immer nur im Labormaßstab getestet“, erklärt Burga Turan. „Die einzelnen Komponenten und Materialien wurden verbessert, aber keiner hat wirklich versucht, näher an eine wirkliche Anwendung zu kommen.“ Außerdem sagt er, die Arbeit sei wichtig für den Mix aus erneuerbaren Energien, um eine stabile Energieversorgung weiter zu verbessern. „Eine groß angelegte künstliche Photosynthese kann eine Möglichkeit sein, diese Aufgabe anzugehen, da sie die Energie der Sonne direkt in chemische Energie umwandeln kann – wie zum Beispiel Wasserstoff“, so Dr. Turan.
Um die Rentabilität noch zu erhöhen, wird Turans Team in einem neuen Projekt daran arbeiten, das Design zu verfeinern. „Seit Anfang 2017 läuft ein großes öffentlich finanziertes Forschungsprojekt zu diesem Thema […] Hauptaufgabe ist die Demonstration der photoelektrochemischen Wasserspaltung in großem Umfang von über 5.000 Stunden ohne Leistungsabbau.“
Dieser Artikel ist eine Übersetzung von Julian Furtkamp und erschien zuerst auf unserer englischsprachigen Seite.
