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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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