26/07/2011 - Künstliche Photosynthese: die Herausforderung der Herstellung von Brennstoffen aus Solarenergie

Menéame

Ein Thema, das sowohl in der Gesellschaft als auch in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Leidenschaften weckt, ist derzeit die Diskussion über den Klimawandel und die Entwicklung erneuerbarer Energien. Der große Vorteil erneuerbarer Energien besteht darin, dass sie theoretisch unerschöpflich sind (Sonnenlicht, Winde usw.), und dass viele von ihnen keine Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre ausstoßen. Leider sind die Kosten für Energie aus diesen Technologien noch weit höher als die Kosten für die Nutzung fossiler Brennstoffe wie Kohle oder Öl, was ihre weitverbreitete Nutzung erschwert.

Ein weiterer wichtiger Nachteil sind jedoch die hohen Kosten im Zusammenhang mit der Speicherung dieser Energie, da die Energieerzeugung aus diesen Quellen, die oft unregelmäßig oder zufällig sind, kaum mit der Nachfrage der Gesellschaft synchronisiert werden kann.

Eine sehr attraktive Lösung in diesem Zusammenhang basiert auf der Nachahmung des natürlichen Prozesses, den Pflanzen und Bakterien seit Millionen von Jahren, Photosynthese, durchführen. Dieses Forschungsgebiet, das als künstliche Photosynthese bezeichnet wird, ist bereits eine der größten Herausforderungen der Chemie des 21. Jahrhunderts und zielt darauf ab, Geräte zu entwickeln, die nicht nur Solarenergie erfassen und in Elektrizität umwandeln (wie eine Photovoltaikzelle), sondern diese Energie auch zur Erzeugung eines Brennstoffs, z. B. Wasserstoff, direkt im Gerät verwenden. Auf diese Weise würde die Sonnenenergie direkt zur Trennung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff eingesetzt. Der große Vorteil besteht daher darin, dass die Energie leicht gespeichert werden kann, da der Prozess einen Brennstoff produziert, nicht Strom, so wie die Pflanzen die Glukose speichern, die durch Photosynthese erzeugt werden.

Mit der heutigen Technologie ist es in der Tat bereits möglich, Strom aus einer Photovoltaikplatte zu nutzen, um Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse zu erzeugen; das Problem ist, dass dieser Prozess sehr wenig effizient ist. Die große Herausforderung in dieser Hinsicht besteht darin, einen chemischen Katalysator zu entwickeln, der Wasser mit Hilfe der absorbierten Solarenergie in Wasserstoff und Sauerstoff freisetzt. Ein solcher Photokathalalysator sollte in der Lage sein, vier Elektronen aus zwei Wassermolekülen sequentiell zu extrahieren, und um die Schwierigkeit dieses Prozesses zu verstehen, genügt es, darauf hinzuweisen, dass bisher nur ein Katalysator bekannt ist, der diese Aufgabe erfüllen kann. Es handelt sich um das sogenannte Photosystem II der natürlichen photosynthetischen Maschinen, deren detaillierte atomare Struktur im Jahr 2000 nach mehr als 20 Jahren Forschung in diese Richtung bestimmt wurde.

Im März dieses Jahres besuchte ich eine interessante Konferenz, die von der Universität Leiden (Niederlande) organisiert wurde und die mit dem Titel "Natural and Artical photosynthesis" Kontakte zwischen Forschern fördern sollte, die in verschiedenen Bereichen mit diesem Thema zu tun haben. Die Diskussionsthemen konzentrierten sich hauptsächlich auf zwei Aspekte: 1) das Verständnis der Lichtaufnahmemechanismen in so genannten fotosynthetischen Antennenproteinen aus Pflanzen und Bakterien, um ihre außerordentliche Effizienz in künstlichen Systemen zu reproduzieren, und 2) die Entwicklung von Katalysatoren, die die Erzeugung des gewünschten Brennstoffs mit der eingefangenen Sonnenenergie ermöglichen. Beide Aspekte stellen Herausforderungen von vorrangiger Bedeutung dar, die die Zusammenarbeit von Chemikalien aus sehr unterschiedlichen Bereichen (Synthese, Computersimulation, elektronische Spektroskopietechnik usw.) erfordern, um effiziente und wirtschaftlich lebensfähige Geräte zu erreichen. In meinem Fall wurde ich eingeladen, unsere Arbeit am Institut für Computerchemie (IQC) an der Universität Girona zu erläutern und zu verstehen, wie die molekulare (atomische) Struktur der photosynthetischen Proteine die Lichtaufnahmeprozesse durch Computersimulation reguliert und kontrolliert.

Ein weiteres Beispiel für Zentren innerhalb unserer Grenzen, die von dieser Herausforderung verführt wurden, ist das Katalanische Institut für chemische Forschung (ICIQ), das kürzlich eine Forschungslinie zur Entwicklung von Katalysatoren für künstliche Photosynthese ins Leben gerufen hat. Ein weiteres Beispiel für das große Interesse dieses Forschungsgebiets ist die Veranstaltung der ersten Konferenz im August, die auf den Bau eines globalen Projekts in künstlicher Photosynthese abzielt. Diese Konferenz findet auf der Insel Lord Howe in Australien unter dem Titel 'Towards Global Artificial Photosynthesis. Energy, Nanochemistry and Governance', wird vom Unesco Naturwissenschaften-Sektor unterstützt und soll nicht nur rein wissenschaftliche Aspekte diskutieren, sondern auch Finanzierungsstrategien und Kooperationsstrategien zwischen Einrichtungen aus verschiedenen Ländern zur Förderung der Entwicklung eines globalen Projekts in der künstlichen Photosynthese. Die ehrgeizigste Initiative in diesem Bereich kam jedoch im vergangenen Jahr aus den USA mit der Ankündigung des "Joint Center for Artificial Photosynthesis," einem hoch multidisziplinären Programm, das von Kalifornien Instiute of Technology und Lawrence Berkeley National Laboratory geleitet wird und in den nächsten fünf Jahren mit 122 Millionen Dollar finanziert wird, um die Entwicklung von Geräten zu fördern, die direkt aus Solarenergie Kraftstoff erzeugen können.

Obwohl diese Technologie noch in der Kindheit ist und man glaubt, dass es noch Jahre dauern wird, bis alle notwendigen Schritte zur Erfassung des Sonnenlichts und zur wirtschaftlich lebensfähigen Endbrennstofferzeugung unternommen werden können, ist es doch klar, dass in den kommenden Jahren die Fortschritte in diesem Forschungsbereich sehr aufregend sein werden.

Über den Autor

Carles Curutchet ist Postdoktoratsforscher Beatriu de Pinós am Institut für Computerchemie (IQC) der Universität Girona und wird in den kommenden Monaten an der Universität Barcelona teilnehmen, um seine eigene Forschungslinie durch das vom Ministerium für Wissenschaft und Innovation finanzierte Programm Ramon und Cajal zu etablieren. Seine Forschungskarriere begann an der Universität Barcelona, wo er 2005 in Theoretischer und Computerchemie studierte und anschließend postdoktorielle Aufenthalte in Italien und Kanada an den Universitäten Pisa (2005), Parma (2006-2007) und Toronto (2008-2009) absolvierte. Ihre aktuellen Interessen konzentrieren sich auf die theoretische Untersuchung von elektronischen Energietransferprozessen in natürlichen und künstlichen photosynthetischen Systemen.

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