Solarenergie nach dem Vorbild der Natur
Neuartige Solarzellen schützen sich durch ständige Erneuerung vor Materialschäden
Ein Prinzip der Natur liefert spannende Perspektiven für die Erzeugung von Solarstrom: Ein neu entwickeltes Molekül kann Sonnenlicht einfangen und sich dabei zugleich selbst regenerieren. Das System orientiert sich an Strategien, die Pflanzen bei der Photosynthese verwenden und könnte in Zukunft für die Entwicklung besonders effektiver Solarzellen genutzt werden. Die neuartige Technologie imitiert dabei einen Mechanismus der Pflanzenzellen, bei dem sich die lichtempfindlichen Moleküle in den Chloroplasten ständig selbst regenerieren.
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Sonnenstrahlen können nicht nur große Mengen an Energie liefern, sie können viele Materialien kurz- oder langfristig auch schädigen. Pflanzen haben hier einen ausgeklügelten Mechanismus entwickelt, der sie vor der zerstörenden Einwirkung des Sonnenlichts schützt: Die Moleküle in ihren Chloroplasten, die Licht einfangen und für die Photosynthese nutzen, bauen sich kontinuierlich selbst ab und anschließend wieder neu zusammen. Dadurch sind die Strukturen, die die Sonnenenergie einfangen, quasi immer brandneu.
Die Idee zu diesem Projekt kam Michael Strano vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge als er ein Buch über Pflanzenbiologie las: „Ich war sehr beeindruckt, wie Pflanzenzellen dieses extrem effiziente Reparaturprinzip nutzen“, sagt der Forscher. „Ein Blatt an einem Baum recycelt seine Proteine alle 45 Minuten – obwohl man denken könnte, die Photozellen seien statisch.“
Dem Forscherteam um Strano ist es nun erstmals gelungen, diesen Mechanismus im Labor zu imitieren. Dazu stellten sie neuartige Moleküle her, die Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln und sich durch Zugabe oder Wegnahme einer speziellen Flüssigkeit immer wieder regenerieren lassen. Die Forscher konstruierten synthetische Moleküle in Form von Scheiben. Sie bilden die Basis für andere Moleküle, die bei Anregung durch Licht Elektronen abgeben – die so genannten Reaktionszentren. Die Scheiben befinden sich in einer Lösung, in der sie sich spontan an Nano-Röhren aus Kohlenstoff anheften können. Dies führt dazu, dass sich die Scheiben einheitlich ausrichten, so dass die Reaktionszentren alle gleichzeitig dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Wird dem System nun ein Tensid – eine Substanz, die die Mischung von Flüssigkeiten ermöglicht – zugegeben, fallen die verschiedenen Komponenten auseinander und bilden eine wässrige Lösung. Wird das Tensid nun wieder entfernt, setzen sie sich spontan wieder zusammen und ermöglichen dadurch die Erzeugung von Strom.
Dieser Mechanismus ist bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom etwa doppelt so effektiv wie die besten heute existierenden Solarzellen. Allerdings war die Konzentration der künstlichen Strukturen in der bisher verwendeten Lösung noch klein, so dass die Gesamteffektivität des neuen Systems noch sehr gering ausfiel. Daher wollen Strano und sein Team nun nach Möglichkeiten suchen, die Konzentration der Moleküle in der Flüssigkeit deutlich zu erhöhen.
Michael Strano (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge) et al.: Nature Chemistry, (Onlinevorabveröffentlichung), doi: 10.1038/NCHEM.822
ddp/wissenschaft.de - Christine Amrhein
