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Der Natur auf der Spur

Die Herausforderung der künstlichen Fotosynthese

Die Fotosynthese der Pflanzen künstlich nachahmen - dies ist das ehrgeizige Ziel vieler Forscher. © Ananthu Kumar / pixabay

Was die Pflanzen seit Jahrmillionen wie selbstverständlich praktizieren, ist für die Wissenschaft noch immer eine Herausforderung: die Fotosynthese. Besonders die Spaltung von Wasser ist interessant, weil sie einen umweltfreundlichen Weg zur Herstellung von Wasserstoff bietet, der zum Beispiel als Energieträger in Brennstoffzellen eingesetzt wird.

Wenn es gelänge, Wasserstoff in großem Maßstab nur mit Hilfe der Sonnenenergie zu produzieren, wäre dies ein bedeutender Schritt beim Kampf gegen den Klimawandel. Denn anders als herkömmliches Benzin aus Erdöl, verbrennt Wasserstoff ohne die Freisetzung von klimaschädlichen Treibhausgasen wie CO2 oder Stickoxiden. Es entsteht lediglich Wasser, das in der Fotosynthese erneut gespalten werden kann. Ein idealer Kreislauf, der nur auf die Energie der Sonne angewiesen ist.

Die Idee ist nicht neu

Schon 1912 wurde das erste Mal öffentlich die Möglichkeit einer künstlichen Fotosynthese diskutiert. Die erste praktische Durchführung der Spaltung von Wasser durch Licht demonstrierte aber erst 1998 der Elektrochemiker John Turner. Doch seine Maschine war viel zu teuer für einen wirtschaftlichen Nutzen und verlor schon nach 20 Betriebsstunden an Leistung.

Die drei Anforderungen, die ein künstliches Blatt erfüllen müsste, zählt Nathan Lewis vom California Institute of Technology (Caltech) im Fachmagazin „nature“ auf: „Es soll einen hohen Wirkungsgrad besitzen, kostengünstig und robust sein. Und ich könnte bereits heute mit zwei dieser Eigenschaften – ganz egal welche – dienen, aber nicht mit allen drei gleichzeitig.“

Wasserspalter gesucht

Um das Ziel eines künstlichen Blattes zu erreichen, legen sich Wissenschaftler auf der ganzen Welt ins Zeug. Da die Pigmente und Proteine der Pflanzenzellen zu empfindlich sind, um sie einfach in technische Anwendungen zu übertragen, sind alternative Fotokatalysatoren gefragt.

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Doch die Suche nach geeigneten Materialien, die das Sonnenlicht absorbieren und mit dieser Energie das Wasser spalten, gestaltet sich als schwierig. Die besten Katalysatoren sind üblicherweise seltene Metalle, die für industrielle Zwecke aber zu teuer sind. Andere Kandidaten eignen sich zwar gut für die Produktion des Wasserstoffs, sind aber bei der Sauerstoffproduktion instabil oder umgekehrt.

Luftbeutel mit Explosionsgefahr

Selbst wenn ein akzeptabler Fotokatalysator gefunden ist, ergeben sich Schwierigkeiten, wie ein kalifornisches Start-Up Unternehmen zeigt. Dort hat man winzige Katalysatorpartikel in wassergefüllte Plastikbeutel gegeben. In diesen Beuteln wird durch Lichteinstrahlung das Wasser mit Hilfe des Katalysators gespalten. Sauerstoff- und Wasserstoffgas entstehen und blähen den Beutel auf, der dann bereit zur Ernte ist.

Das Problem: Die Gasmischung ist hochexplosiv. Ein einziger Funke könnte zum Desaster führen. Um das zu verhindern, wollen die Forscher die Möglichkeit überprüfen, Abwasser statt reinem Wasser für ihre Beutel zu verwenden. Die darin enthaltenen organischen Fremdstoffe würden mit dem Sauerstoff reagieren, sodass nur der begehrte Wasserstoff übrig bleibt.

Der Prototyp dieses "künstlichen Blattes" hat optisch nicht viel mit seinem pflanzlichen Vorbild gemein: Er besteht aus zwei Kammern, die durch einen Membran voneinander getrennt sind. © Caltech

Prototyp funktioniert

Einen anderen Ansatz verfolgen Forscher am Caltech. Sie haben einen Prototyp entwickelt, der aus zwei in wässrige Lösung ragenden Elektroden besteht. An der einen Elektrode entsteht Sauerstoff, an der anderen Wasserstoff. Eine spezielle Membran verhindert, dass die Produkte sich vermischen. Die Explosionsgefahr ist so verringert, erklären die Forscher.

Das Besondere des künstlichen Blattes von Caltech: Die Elektroden sind mit einer dünnen Schutzschicht aus Titandioxid überzogen. Diese verhindert, dass sie im Wasser rosten. 40 Betriebsstunden mit einem Wirkungsgrad von zehn Prozent haben die Forscher bereits erzielt. Doch noch sind die Herstellungskosten viel zu hoch, um das System industriell zur Treibstoffproduktion zu nutzen.

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Stand: 28.04.2017

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Die Lichtwandler
Wie Pflanzen durch Fotosynthese das Leben auf der Erde ermöglichen

Grüne Pioniere
Die Entstehung der ersten Pflanzen

Die Wurzel des Lebens
Pflanzen als Ernährer des Planeten

Die Zutaten der Fotosynthese
Wie Pflanzen Licht für die Zuckerproduktion sammeln

Licht und Schatten
Die Produktionsschritte in der grünen Fabrik

Endlich: Zucker
Die Dunkelreaktion ist das Finale der Fotosynthese

Der Natur auf der Spur
Die Herausforderung der künstlichen Fotosynthese

Frankensteins Pflanze
Künstliche Dunkelreaktion als Klimaretter?

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