Wasserstoff aus semi-artifizieller Photosynthese - wissenschaft.de
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Wasserstoff aus semi-artifizieller Photosynthese

Photoelektrische Zelle
Photoelektrische Zelle für die semi-artifizielle Photosynthese (Foto: Katarzyna Sokol)

Pflanzen nutzen schon seit Jahrmillionen das Sonnenlicht, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten – in der Photosynthese. Theoretisch wäre sie auch bestens geeignet, um mittels Solarenergie den Brennstoff Wasserstoff zu erzeugen. Einen vielversprechenden Ansatz dafür hat nun ein deutsch-englisches Forscherteam entwickelt. Ihnen gelang es, biologische Komponenten des Photosynthese-Systems mit künstlichen Bauteilen zu kombinieren. Das Ergebnis ist ein semi-artifizielles System, das Wasserstoff aus Wasser und Sonnenlicht produziert – ganz ohne giftige und teure Katalysatoren.

Die Photosynthese ist eine der genialsten Erfindungen der Natur. Denn sie ermöglicht es Pflanzen, mithilfe von Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser nahezu alle organischen Moleküle herzustellen, die sie für ihr Wachstum benötigen. Die Energie des Lichts wird dabei in chemische Energie umgewandelt. Spannend für die moderne Energietechnik ist dabei aber vor allem der Wasserstoff, der quasi als Nebenprodukt der Photosynthese durch die Spaltung von Wassermolekülen entsteht. Denn könnte man wie die Pflanzen Wasserstoff durch lichtgetriebene Wasserspaltung gewinnen, wäre dies ein nachhaltiger und klimaschonender Brennstoff. Weltweit experimentieren Forscher daher schon seit längerem mit künstlicher Photosynthese – Methoden, die Wasser mithilfe spezieller Katalysatoren in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegen. Das Problem: „Diese Verfahren sind dadurch limitiert, dass die Katalysatoren teuer und giftig sind oder nicht effizient genug“, erklärt Erstautorin Katarzyna Sokol von der University of Cambridge.

Algen-Komponenten mit Technik kombiniert

Eine Alternative könnte jedoch die semi-artifizielle Photosynthese bieten. Bei dieser werden entscheidende Komponenten des pflanzlichen Photosynthese-Systems behalten und mit synthetischen Bauteilen kombiniert. Statt der teuren und toxischen Katalysatoren übernehmen dabei natürliche Enzyme die Aufgabe, die chemische Wasserspaltung anzutreiben. Ein solches semi-artifizielles System haben nun Sokol und ihre Kollegen entwickelt. Dafür isolierten sie zunächst das sogenannte Photosystem II aus der wärmeliebenden Blaualgenart Thermosynechococcus elongatus. Dieses ist dafür bekannt, besonders robust und daher hochaktiv zu sein, wie die Forscher erklären. Diese pflanzliche Komponente bauten sie in eine künstliche Elektrode aus einer Kombination von Titandioxid mit speziellen Farbstoffen ein. Zusammen bildete dieser Komplex die Photoanode – den Teil des Aufbaus, der Wasser bei Lichteinfall in Sauerstoff und Protonen auftrennt.

Den zweiten Teil des semi-artifiziellen Photosynthese-Systems bildet eine weitere Titandioxid-Elektrode, die mit dem pflanzlichen Enzym Hydrogenase gekoppelt ist. „Dieses in Algen präsente Enzym kann Protonen zu molekularem Wasserstoff (H2) reduzieren“, erklärt Sokol. „Während der Evolution ist dieser Prozess jedoch deaktiviert worden, weil er für das Überleben der Pflanzen nicht notwendig war. Wir haben es geschafft, diese Deaktivierung zu überbrücken.“ Durch die Kombination des „wiedererweckten“ Algenenzyms mit dem Photosystem II der Algen und künstlichen Elektroden gelang es den Forschern, die lichtgetriebene Wasserspaltung nachzubauen und die Wasserstoffausbeute dabei zu maximieren.

Werkzeugkasten für zukünftige Technologien

Das resultierende System der semi-artifiziellen Photosynthese produziert nicht nur den Brennstoff Wasserstoff allein aus Sonnenlicht und Wasser. Es absorbiert durch die Kombination aus natürlichem Photosystem und lichtschluckendem Farbstoff auch mehr Licht als sein natürliches Vorbild, wie die Forscher berichten. „Dieses Prinzip überwindet viele der Schwierigkeiten, die bei der Integration von biologischen und organischen Komponenten mit nichtorganischen auftreten“, sagt Seniorautor Erwin Reisner von der University of Cambridge. „Damit eröffnet es uns einen ganzen Werkzeugkasten für die Entwicklung zukünftiger Technologien zur biotischen und abiotischen Umwandlung von Sonnenlicht in erneuerbare Energie.“

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Quelle: Katarzyna Sokol (University of Cambridge, UK) et al., Nature Energy, doi: 10.1038/s41560-018-0232-y

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phos|pho|ry|lie|ren  〈V. t.; hat; Biochem.〉 beim Stoffwechsel einen Phosphatrest übertragen

The homophonic Polybius is a simple but hard to break manual cipher. Can a reader break a message I have encrypted in this scheme?

Designing a purely manual cipher (i.e., one that can be executed without a computer, cipher machine, or cipher tool) has proven a difficult problem. Most designs are either too complicated for practical use or insecure (some are even both). Almost all manual ciphers that were developed in the pre-computer era can today be broken with a computer program.

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Although manual encryption algorithms lost importance with the advent of computer technology, they are still an active field of research.

 

Homophonic Polybius

Today, I’m going to present a manual cipher I call “homophonic Polybius”. It is based on the Polybius cipher, a system invented by the old Greeks, and enhanced by the use of homophones. I have never seen this system in the literature, but I can imagine that similar concepts have been used before.

The homophonic Polybius is simple, but might be hard to break. It replaces every letter of the plaintext with a letter pair (digraph), which means that the ciphertext is double as long as the plaintext. Such a property is not desirable, but can be tolerated if one is dealing with a plaintext of only a few hundred letters or less.

In the following, we work with a 25-letter alphabet. There is no Q. If a Q appears in the plaintext, we take a K instead.

For the homophonic Polybius cipher we need two keywords. As an example, we take PASTA and NOODLE. Each keyword is used to rearrange the alphabet in the following way: Write the keyword first, omit repeating letters, append the remaining letters. For PASTA we receive:

PASTBCDEFGHIJKLMNORUVWXYZ

With NOODLE, the alphabet is written as follows:

NODLEABCFGHIJKMPRSTUVWXYZ

Now we construct a substitution table. In the first step, we write the PASTA alphabet as follows (three lines on the top, two columns on the left):

In the second step, the NOODLE alphabet is added as a five-by-five square:

With this Polybius-type substitution table, we have several options to encode each letter. For instance, the A can be encrypted as OP, OC, OH, RP, RC, or RH. In other words: We have six homophones for each letter of the alphabet. Let’s now encrypt the plaintext TO BE OR NOT TO BE:

T  O  B  E  O  R  N  O  T  T  O  B  E  X XK ND OI ML ND WA MH MI WF XF MA RI NB ZJ

The ciphertext is: XK ND OI ML ND WA MH MI WF XF MA RI NB ZJ

Each letter pair in the ciphertext was randomly chosen from the six homophones available for the respective letter. For instance, the T at the beginning was encrypted as XK, but could also have been encoded as WT, WF, WK, XT, or XF. When using this scheme, one should switch between the homophones of a certain letter in a non-regular way.

 

A challenge

The following ciphertext has been encrypted in a homophonic Polybius cipher:

MG VI VH PG JG KE KB KB VR LU JG ZG JE VN ZD VC KA ME TB VR JS TU PG KA JS
VX VB VH PE KE VS KB PB KA MA PF ZX KA MB PA ME PI VE KI VF KB VA PD MG ZC
VB KU KS VH PE KA VC YX VE KA TS TC KA VB KI KE VB ME PR MA KH KB VC TI TU
PG KA VB VF ZF VH PE KG VN KB PC KA ME PX ZR KA MD PE MG PI VG KU VR KN VD
VR MU MG VS KG KH PF PE VU KE JA KN JN VF VH PE JA VB KN PD KG ME PR ZR KG
VI KG MG PI VD PG MG ZG KG ZB VR KN VD KU MR VU ZD VF MU VU PE KG KE KI PR
PG VU ZD VB ZF VG KG VB VD KG VN KI KE VD VG PD MG ZD KE KD VD KU KB MC KG
KB KI KN KA TI KG KA KS PG ZR KN KD VB KG KD MG KB KD MI KU LI VH KG KE KB

The plaintext is in English, consisting of 200 letters. Both keywords are misspelled expressions, which means that a dictionary attack won’t work. Can a reader solve this challenge?


Further reading: Solve the Bigram 600 challenge and set a new world record

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