Photosynthese: grundlegender Mechanismus für das Leben auf diesem Planeten, Geißel der GCSE-Biologiestudenten und jetzt ein potenzieller Weg zur Bekämpfung des Klimawandels. Wissenschaftler arbeiten hart daran, eine künstliche Methode zu entwickeln, die nachahmt, wie Pflanzen Sonnenlicht nutzen, um CO2 und Wasser in etwas umzuwandeln, das wir als Brennstoff verwenden können. Wenn es funktioniert, ist es ein Win-Win-Szenario für uns: Wir profitieren nicht nur von der so gewonnenen erneuerbaren Energie, sondern könnten auch ein wichtiger Weg sein, den CO2-Gehalt in der Atmosphäre zu reduzieren.
Pflanzen brauchten jedoch Milliarden von Jahren, um die Photosynthese zu entwickeln, und es ist nicht immer einfach, die Vorgänge in der Natur nachzuahmen. Im Moment funktionieren die grundlegenden Schritte der künstlichen Photosynthese, aber nicht sehr effizient. Die gute Nachricht ist, dass die Forschung auf diesem Gebiet an Fahrt gewinnt und es Gruppen auf der ganzen Welt gibt, die Schritte unternehmen, um diesen integralen Prozess zu nutzen.
Photosynthese in zwei Schritten
Bei der Photosynthese geht es nicht nur darum, Sonnenlicht einzufangen. Eine Eidechse, die in der warmen Sonne badet, kann das tun. Die Photosynthese hat sich in Pflanzen entwickelt, um diese Energie einzufangen und zu speichern (das „Foto“-Bit) und sie in Kohlenhydrate umzuwandeln (das „Synthese“-Bit). Pflanzen verwenden eine Reihe von Proteinen und Enzymen, die durch Sonnenlicht angetrieben werden, um Elektronen freizusetzen, die wiederum verwendet werden, um CO2 in komplexe Kohlenhydrate umzuwandeln. Grundsätzlich folgt die künstliche Photosynthese den gleichen Schritten.
„Bei der natürlichen Photosynthese, die Teil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs ist, gelangen Licht, CO2 und Wasser in die Pflanze und die Pflanze produziert Zucker“, erklärt Phil De Luna, Doktorand am Department of Electrical and Computer Engineering at der Universität Toronto. „Bei der künstlichen Photosynthese verwenden wir anorganische Geräte und Materialien. Der eigentliche Anteil der Sonnengewinnung erfolgt durch Solarzellen und der Anteil der Energieumwandlung erfolgt durch elektrochemische [Reaktionen in Gegenwart von] Katalysatoren.“
Was bei diesem Verfahren wirklich attraktiv ist, ist die Möglichkeit, Kraftstoff für die langfristige Energiespeicherung herzustellen. Dies ist so viel mehr, als die derzeitigen erneuerbaren Energiequellen selbst mit der neuen Batterietechnologie leisten können. Wenn zum Beispiel die Sonne nicht scheint oder es kein windiger Tag ist, stellen Sonnenkollektoren und Windparks einfach die Produktion ein. „Für eine längere saisonale Lagerung und Lagerung in komplexen Brennstoffen brauchen wir eine bessere Lösung“, sagt De Luna. „Batterien sind großartig für den Alltag, für Telefone und sogar für Autos, aber wir werden eine [Boeing] 747 niemals mit einer Batterie betreiben.“
Herausforderungen zu lösen
Bei der Herstellung von Solarzellen – dem ersten Schritt im Prozess der künstlichen Photosynthese – haben wir die Technologie bereits: Solarstromanlagen. Derzeitige Photovoltaikmodule, bei denen es sich typischerweise um Systeme auf Halbleiterbasis handelt, sind jedoch im Vergleich zur Natur relativ teuer und ineffizient. Eine neue Technologie wird benötigt; eine, die viel weniger Energie verschwendet.
Gary Hastings und sein Team von der Georgia State University in Atlanta sind möglicherweise über einen Ausgangspunkt gestolpert, wenn sie den ursprünglichen Prozess in Pflanzen betrachten. Der entscheidende Punkt bei der Photosynthese ist die Bewegung von Elektronen über eine bestimmte Distanz in der Zelle. Ganz einfach ausgedrückt ist es diese durch Sonnenlicht verursachte Bewegung, die später in Energie umgewandelt wird. Hastings zeigte, dass der Prozess von Natur aus sehr effizient ist, weil diese Elektronen nicht in ihre ursprüngliche Position zurückkehren können: „Wenn das Elektron dorthin zurückkehrt, wo es hergekommen ist, geht die Sonnenenergie verloren.“ Während diese Möglichkeit bei Pflanzen selten ist, kommt sie bei Sonnenkollektoren ziemlich häufig vor, was erklärt, warum sie weniger effizient sind als die Realität.
Hastings glaubt, dass diese „Forschung wahrscheinlich Solarzellentechnologien im Zusammenhang mit der Chemie- oder Kraftstoffproduktion voranbringen wird“, aber er weist schnell darauf hin, dass dies im Moment nur eine Idee ist und dieser Fortschritt in absehbarer Zeit unwahrscheinlich ist. „In Bezug auf die Herstellung einer vollständig künstlichen Solarzellentechnologie, die auf diesen Ideen basiert, glaube ich, dass die Technologie in Zukunft noch weiter entfernt ist, wahrscheinlich nicht innerhalb der nächsten fünf Jahre, selbst für einen Prototyp.“
Ein Problem, von dem die Forscher glauben, dass wir kurz vor der Lösung stehen, betrifft den zweiten Schritt des Prozesses: die Umwandlung von CO2 in Kraftstoff. Da dieses Molekül sehr stabil ist und unglaublich viel Energie benötigt, um es zu brechen, verwendet das künstliche System Katalysatoren, um den Energiebedarf zu senken und die Reaktion zu beschleunigen. Dieser Ansatz bringt jedoch seine eigenen Probleme mit sich. In den letzten zehn Jahren gab es viele Versuche mit Katalysatoren aus Mangan, Titan und Kobalt, jedoch hat sich der längere Einsatz als problematisch erwiesen. Die Theorie mag gut erscheinen, aber sie hören entweder nach ein paar Stunden auf zu arbeiten, werden instabil, langsam oder lösen andere chemische Reaktionen aus, die die Zelle schädigen können.
Aber eine Zusammenarbeit zwischen kanadischen und chinesischen Forschern scheint den Jackpot geknackt zu haben. Sie fanden einen Weg, Nickel, Eisen, Kobalt und Phosphor zu kombinieren, um in einem neutralen pH-Wert zu arbeiten, was den Betrieb des Systems erheblich erleichtert. „Da unser Katalysator in einem neutralen pH-Elektrolyten, der für die CO2-Reduktion notwendig ist, gut funktionieren kann, können wir die Elektrolyse der CO2-Reduktion in einem [a] membranfreien System durchführen und somit die Spannung senken“, sagt Bo Zhang, from der Abteilung für Makromolekulare Wissenschaften der Fudan-Universität, China. Mit beeindruckenden 64 % Strom-zu-Chemie-Umwandlung ist das Team jetzt Rekordhalter mit der höchsten Effizienz für künstliche Photosynthesesysteme.
„Das größte Problem mit dem, was wir derzeit haben, ist die Skalierung“
Für ihre Bemühungen erreichte das Team das Halbfinale der NRG COSIA Carbon XPRIZE, die ihnen 20 Millionen US-Dollar für ihre Forschung einbringen konnte. Ziel sei es, „bahnbrechende Technologien zu entwickeln, die CO2-Emissionen aus Kraftwerken und Industrieanlagen in wertvolle Produkte umwandeln“ und haben mit ihren verbesserten künstlichen Photosynthesesystemen gute Chancen.
Die nächste Herausforderung ist die Skalierung. „Das größte Problem mit dem, was wir derzeit haben, ist die Skalierung. Wenn wir skalieren, verlieren wir am Ende an Effizienz“, sagt De Luna, die auch an Zhangs Studie beteiligt war. Glücklicherweise haben die Forscher ihre Liste der Verbesserungen noch nicht ausgeschöpft und versuchen nun, Katalysatoren durch verschiedene Zusammensetzungen und verschiedene Konfigurationen effizienter zu machen.
An zwei Fronten gewinnen
Sowohl kurz- als auch langfristig gibt es sicherlich noch Raum für Verbesserungen, aber viele glauben, dass die künstliche Photosynthese das Potenzial hat, als saubere und nachhaltige Technologie für die Zukunft ein wichtiges Werkzeug zu werden.
„Es ist unglaublich spannend, weil sich das Feld so schnell bewegt. In Bezug auf die Kommerzialisierung stehen wir am Wendepunkt“, sagt De Luna und fügt hinzu, dass es von vielen Faktoren abhängen wird, ob es funktioniert, darunter die öffentliche Ordnung und die Akzeptanz der Technologie für erneuerbare Energien durch die Industrie .“
Die richtige Wissenschaft ist also nur der erste Schritt. Nach der Forschung von Leuten wie Hastings und Zhang wird der entscheidende Schritt kommen, die künstliche Photosynthese in unsere globale Strategie rund um erneuerbare Energien aufzunehmen. Es geht um viel. Wenn es sich durchsetzt, können wir an zwei Fronten gewinnen – nicht nur bei der Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Produkten, sondern auch bei der Reduzierung unseres CO2-Fußabdrucks.
