Molekül speichert Energie aus künstlicher Photosynthese

Photosynthese ermöglicht das Leben auf der Erde: Bei der biochemischen Reaktion wandeln Pflanzen und auch einige Bakterien Wasser und Kohlendioxid mithilfe von Sonnenenergie in Glucose und Sauerstoff um. Das Kohlenhydrat benötigen sie zum Wachstum, das Gas ist wichtiger Bestandteil der Luft, die Menschen und Tiere einatmen. Bereits seit einiger Zeit versuchen Forscher, den Prozess im Labor zu imitieren. Denn in einem Zwischenschritt entsteht Wasserstoff – einer der Hoffnungsträger in der Energiewende. Ein deutsch-irischen Team hat nun einen Weg gefunden, wie das auch nachts, also ohne Sonnenlicht, funktionieren kann.

In der Natur ist die Photosynthese in zwei Stufen unterteilt: Bei der Lichtreaktion wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt und Wassermoleküle werden in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Bei der Dunkelreaktion wird mit der gewonnenen Energie sowie dem Wasserstoff Kohlendioxid in Glucose umgewandelt. Das kann sowohl tagsüber als auch nachts im Dunkeln passieren. Sauerstoff bleibt als „Abfallprodukt“ beider Schritte übrig.

Eine Reaktion, viele Möglichkeiten

Im Labor gelingt es zwar bereits, diesen Vorgang nachzustellen, allerdings sind bisher die Kosten hoch und der Wirkungsgrad niedrig. Dennoch gibt es zahlreiche Projekte, die sich damit befassen, die Reaktion künstlich zu erzeugen. Denn sie ist gleich für mehrere Ansätze interessant: Aus der Biomasse, die als Endprodukt entsteht, können alternative Kraftstoffe hergestellt werden. Forscher hoffen außerdem, Wasserstoff auf diese Weise gewinnen zu können. Und weil dabei Kohlendioxid aus der Luft entfernt wird, zeigt der Prozess gleichzeitig Möglichkeiten für die CO₂-Abscheidung auf.

Ein zentrales Problem ist jedoch, dass künstliche Photosynthese bislang nur tagsüber Wasserstoff und andere Chemikalien produzieren kann. Während Pflanzen die Energie speichern und so auch nachts weiter umwandeln können, sucht die Wissenschaft noch nach einem geeigneten Speicher.

Hoffnung liegt auf Kupfer-Molekül

Eine Gruppe mit Forschern der Universitäten Ulm, Jena und Dublin City sowie des Leibniz-Instituts IFW in Dresden hat nun ein Konzept vorgestellt, mit dem Solarenergie auch nach Sonnenuntergang nutzbar wird. Sie haben einen Kupferkomplex entwickelt, der Elektronen aufnehmen und speichern kann, die bei künstlich erzeugten photosynthetischen Prozessen entstehen. Bis zu 14 Stunden lang sollen diese in dem Molekül mit der Bezeichnung Cu(I) 4H-Imidazolat erhalten und so nutzbar bleiben.

Aktuell experimentieren die Wissenschaftler allerdings noch im sehr kleinen Format: Ihre Reaktionen laufen zurzeit im Reagenzglas und bei geringen Konzentrationen ab. Dennoch sind sie zuversichtlich, dass ihre Idee auch in größeren Anwendungen funktionieren kann. Acht Stunden würde es dann dauern, den Speicher zu laden. Dieser soll auch nach mehreren Zyklen noch eine Kapazität von über 70 Prozent erreichen.

Marktreife frühestens in zehn Jahren

Weitere Forschungen sind nun nötig, um herauszufinden, ob die so gewonnen Elektronen tatsächlich zur Elektrolyse oder solaren Wasserspaltung genutzt werden können. Nur dann ließe sich aus ihnen Wasserstoff gewinnen. Unklar ist auch, wie viel Energie in den Teilchen steckt. Experten des Fraunhofer Institute for Technical Trend Analysis INT gehen davon aus, dass zehn bis 20 Jahre vergehen werden, bis es praxistaugliche Verfahren gibt, mit denen sich Brennstoffe in photosynthetischen Prozessen produzieren lassen. Dadurch, dass es dem Team gelungen ist, den Tag-Nacht-Zyklus aufzulösen, sind aber die Weichen dafür gestellt, künstliche Photosynthese effizienter zu nutzen.