Warum Gras selbst die besten Solarzellen schlägt
Quantenmechanik macht Photosynthese so effizient
Die unscheinbaren Halme einer Graswiese sind in gewisser Weise nichts anderes als ein riesiger Quantencomputer. Dies haben Forscher in den USA durch eine Untersuchung der energetischen Struktur von Chlorophyllmolekülen herausgefunden. Demnach sind die elektronischen Energieniveaus in benachbarten Molekülen miteinander quantenmechanisch gekoppelt, genauso wie QBits in Quantencomputern. Der Studie zufolge steckt diese Koppelung hinter der im Vergleich mit Solarzellen ungeheuer hohen Effizienz der Photosynthese.
ANZEIGE
Die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in energiereiche organische Kohlenwasserstoffe wird durch das Einfangen von Sonnenergie mithilfe von Chlorophyllmolekülen ermöglicht. Dabei wird die Energie eingefangener Photonen durch eine zweidimensionale, als Antennenkomplex bezeichnete Anordnung dicht gepackter Moleküle an ein metallisches Reaktionszentrum weitergeleitet, wo die eigentliche chemische Reaktion stattfindet.
Die hohe Effizienz von mehr als 95% dieser Energieumwandlung hängt damit zusammen, dass die eingefangene Photonenenergie blitzschnell ihren Weg zu dem Reaktionszentrum findet. Gregory Engel und seine Kollegen von der Universität von Berkeley haben nun herausgefunden, wieso dem so ist: Ihre mithilfe von Elektronenspektroskopie durchgeführte Studie eines Antennenkomplexes zeigt, dass die Energie mitnichten auf einem zufälligen Weg durch den Antennenkomplex weitergereicht wird, sondern vielmehr den schnellstmöglichen Weg findet. Dies ist von großer Bedeutung, da die energetischen Anregungen relativ kurzlebig sind.
Die elektronischen Energieniveaus der Moleküle des Komplexes sind Engel zufolge über weite Bereiche miteinander quantenmechanisch gekoppelt. Dies gleicht der Koppelung von Bits in Quantencomputern – und wie dort auch kann durch das Ansprechen eines einzelnen Moleküls der Zustand des gesamten Komplexes erfasst werden.
Auf diese Weise kann ein durch ein eingefangenes Photon angeregtes Molekül dessen Energie auf kürzestem Wege zu dem Reaktionszentrum weiterreichen, so die Forscher. Allerdings haben sie ihr Experiment bisher nur bei einer tiefen Temperatur von 77 Kelvin durchgeführt. Ob die quantenmechanische Kopplung auch bei Umgebungstemperatur aufrechterhalten wird, müssen sie in weiteren Studie erst noch überprüfen.
Gregory Engel (Universität von Berkeley) et al.: Nature, Bd. 446, S. 782
Stefan Maier
