Im kalifornischen Pasadena liegt an einem klaren Fr\u00fchlingsmorgen der Duft von frisch gem\u00e4htem Gras und Bl\u00fcten in der Luft. \u00dcberall hier scheint die Fotosynthese ganz m\u00fchelos zu gelingen: Die Palmen und Blumen entlang der Gehwege des California Institute of Technology (Caltech) aalen sich im Sonnenlicht und nutzen dessen Energie, um Zucker zu speichern, ihre Bl\u00e4tter auszubreiten, die Wurzeln tiefer ins Erdreich zu graben und sich um ihre Stoffwechselprozesse zu k\u00fcmmern.<\/p>\n
Im Jorgensen Laboratory am Caltech versuchen mehr als 80 Forscher, es den Pflanzen gleichzutun \u2013 und haben weitaus mehr M\u00fche damit. Das frisch renovierte Geb\u00e4ude, in dem sie an dieser Aufgabe t\u00fcfteln, bildet den Hauptsitz des Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) \u2013 einem Forschungsprogramm, das vom Department of Energy (DOE) der USA \u00fcber f\u00fcnf Jahre mit 116 Millionen US-Dollar gef\u00f6rdert wird und an dem 190 Wissenschaftler mitarbeiten. Das Ziel der Forscher: Wasserstoff auch andere Brennstoffe sollen, verglichen mit der nat\u00fcrlichen Produktion von Biomasse durch Bl\u00e4tter, mit Hilfe von Sonnenlicht wesentlich effizienter gewonnen werden. Zum Einsatz kommen dabei Silizium, Nickel, Eisen und viele andere Materialien, die man eher in Akkuzellen als Pflanzenzellen erwartet.<\/p>\n
Die Wissenschaftler verfolgen ihr Ziel mit einer gewissen Dringlichkeit. Rund 13 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen gehen auf den Verkehr zur\u00fcck \u2013 die umweltsch\u00e4dlichen Kraftstoffe allm\u00e4hlich zu ersetzen, ist also entscheidend f\u00fcr das Klima. Autos und kleinere Lastwagen lie\u00dfen sich beispielsweise durch Elektrofahrzeuge abl\u00f6sen, die durch Sonnen- oder Windenergie aufgeladen werden. Diese Ma\u00dfnahme allein reicht allerdings nicht aus. Rund 40 Prozent des gegenw\u00e4rtigen globalen Verkehrs l\u00e4sst sich nicht auf einen Elektroantrieb umr\u00fcsten, sagt Nathan Lewis vom Caltech, der wissenschaftlicher Direktor am JCAP ist. So d\u00fcrfte es beispielsweise nie \u2013 au\u00dfer im Fall eines unerwarteten Durchbruchs \u2013 ein Plug-in-Hybrid-Flugzeug geben: Kein Flieger dieser Welt k\u00f6nnte gen\u00fcgend Batterien mit sich f\u00fchren. Fl\u00fcssige Brennstoffe sind einfach unschlagbar, wenn es um Einfachheit und Energiedichte geht.<\/p>\n
F\u00f6rdereinrichtungen rund um die Welt \u2013 sowie einige private Unternehmen \u2013 stecken beispiellose Mittel in die Forschung, um Brennstoffe mit Hilfe von Sonnenenergie herzustellen. Diese Energiequelle w\u00e4re nicht nur kohlenstofffrei, sondern auch praktisch unersch\u00f6pflich. Bis zum Ende der ersten F\u00f6rderperiode im Jahr 2015 will das JCAP einen Prototypen f\u00fcr ein k\u00fcnstliches Blatt pr\u00e4sentieren. Das Forschungszentrum ist eines von f\u00fcnf so genannten “Energy Innovation Hubs”, die das DOE seit 2010 ins Leben rief, um bestimmte Probleme mit Hilfe von Grundlagenforschung, angewandter Forschung und Ingenieurwissenschaft anzugehen.<\/p>\n
Obwohl das JCAP bereits einige Fortschritte verbuchen kann, ist das Ziel noch l\u00e4ngst nicht erreicht. “Es handelt sich um eine wirklich, wirklich schwierige und anspruchsvolle Aufgabe”, sagt der Elektrochemiker John Turner vom National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado. “Der Nutzen w\u00e4re enorm, aber es ist offenbar nicht so einfach, wie man es sich vor 40 Jahren \u2013 als wir in diesem Bereich zu experimentieren begannen \u2013 vorstellte.”<\/p>\n
Steigende F\u00f6rdergelder und die zunehmende Aufmerksamkeit lassen viele Forscher jedoch auf den langfristigen Erfolg hoffen. “Kann man diese Bem\u00fchungen f\u00fcr die n\u00e4chsten zehn Jahre aufrechterhalten”, so der Chemiker Michael Wasielewski von der Northwestern University in Evanston, Illinois, “w\u00e4re eine praktische L\u00f6sung durchaus denkbar.”<\/p>\n
Das Konzept der k\u00fcnstlichen Fotosynthese geht zur\u00fcck auf das Jahr 1912. Es auch in die Tat umzusetzen, versucht man allerdings erst seit 1972. Japanische Forscher \u00fcberlegten sich damals, wie ein Apparat aussehen k\u00f6nnte, der Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet [2]. Fortschritte lie\u00dfen allerdings auf sich warten. Erst 1998 gelang Turner ein wichtiger Vorsto\u00df \u2013 mit einem System, das zw\u00f6lf Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in Kraftstoff umwandelt [3]. Echte Bl\u00e4tter speichern dagegen nur ein Prozent der Energie in Form von Biomasse. Doch der von ihm entwickelte Apparat war viel zu teuer, um eine Chance auf dem Markt zu haben: Er \u00fcberstieg die vertretbaren Kosten um das 25-Fache. Und obendrein fiel die Leistung bereits nach 20 Betriebsstunden ab.<\/p>\n
Man verlangt drei Dinge von einem k\u00fcnstlichen Blatt, berichtet Lewis: “Es soll einen hohen Wirkungsgrad besitzen, kosteng\u00fcnstig und robust sein. Und ich k\u00f6nnte bereits heute mit zwei dieser Eigenschaften \u2013 ganz egal welche \u2013 dienen, aber nicht mit allen drei gleichzeitig.”<\/p>\n
Die Forscher am JCAP wollen diese H\u00fcrde \u00fcberwinden \u2013 und dabei ein System entwickeln, das Wasser deutlich preiswerter aufspaltet als man es mit dem Strom einer Solarzelle bewerkstelligen k\u00f6nnte. Das Herzst\u00fcck ihres k\u00fcnstlichen Blatts bilden derzeit zwei Elektroden, eingetaucht in eine w\u00e4ssrige L\u00f6sung. F\u00fcr gew\u00f6hnlich besteht jede Elektrode aus einem Halbleitermaterial, das Lichtenergie aus einem bestimmten Teil des Sonnenspektrums absorbieren kann. Zudem sind die Elektroden mit einem Katalysator beschichtet, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erh\u00f6hen und so effizienter Wasserstoff oder Sauerstoff zu erzeugen (siehe Grafik). Die JCAP-Forscher trennen \u2013 wie auch andere Gruppen \u2013 die in ihrem System entstehenden Gase durch eine Membran voneinander und senken so das Risiko einer explosiven Reaktion. Der auf diese Weise hergestellte Wasserstoff l\u00e4sst sich direkt als Treibstoff f\u00fcr Wasserstoffautos verwenden oder mit Kohlenmonoxid weiterverarbeiten zu einem fl\u00fcssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff.<\/p>\n
Wasserspalten durch k\u00fcnstliche Fotosynthese: Das Verfahren nutzt Photonen des Sonnenlichts um Wassermolek\u00fcle in Sauerstoff und Wasserstoff zu zerlegen \u2013 beide Produkte k\u00f6nnen dann als Brennstoff weiterverwendet werden. Aus zwei Wassermolek\u00fclen k\u00f6nnen dabei jeweils ein Sauerstoffmolek\u00fcl (O2) sowie vier Protonen (H+) und Elektronen (e-) gewonnen werden. Die Protonen und Elektronen wandern durch eine Membran, dahinter arbeitet eine Photokathode, an der dann mit einem Katalysator und unter Sonneneinstrahlung Wasserstoff entsteht.<\/p>\n
Die einzelnen Komponenten eines k\u00fcnstlichen Blatts zum Laufen zu bringen, stellt schon eine Herausforderung dar; sie alle zu einem funktionierenden Gesamtsystem zusammenzuf\u00fcgen, ist noch weitaus schwieriger. “Das l\u00e4sst sich ziemlich gut mit dem Bau eines Flugzeugs vergleichen”, erkl\u00e4rt Lewis. “Man braucht nicht nur ein Triebwerk, man braucht eine Konstruktion mit Fl\u00fcgeln, einem Rumpf, einem Triebwerk und Bordelektronik \u2013 und dann muss das Flugzeug am Ende auch noch fliegen.”<\/p>\n
Vor allem die Suche nach geeigneten Materialien bereitet den Forschern gro\u00dfe Probleme. Silizium taugt beispielsweise als Photokathode \u2013 diese Elektrode erzeugt das Wasserstoffgas \u2013, ist allerdings nur in einer s\u00e4urehaltigen L\u00f6sung stabil. Bedauerlicherweise verhalten sich Photoanoden, die Sauerstoff produzieren, gerade umgekehrt: Sie bleiben nur dann leistungsf\u00e4hig, wenn die L\u00f6sung basisch und nicht sauer ist. Erschwerend kommt hinzu, dass Iridium \u2013 der beste Katalysator f\u00fcr Photoanoden \u2013 selten und teuer ist, was es f\u00fcr Systeme im kommerziellen Rahmen disqualifiziert.<\/p>\n
Beim JCAP begegnet man dem Materialproblem mit Tintenstrahldruckern, die pausenlos kleine Legierungsproben auf Glasplatten ausspucken. Die Forscher pr\u00fcfen dann, ob sich einer der aufgedruckten Werkstoffe als Katalysator oder Lichtabsorber eignet. Zusammengenommen verm\u00f6gen die Drucker, t\u00e4glich bis zu eine Million unterschiedliche Proben herzustellen.<\/p>\n
In einem Experiment fahndete das Team nach einer geeigneten Legierung, um Sauerstoff aus Wasser zu gewinnen [4]. Dazu pr\u00fcfte es mit Hilfe eines miniaturisierten chemischen Labors, das unerm\u00fcdlich \u00fcber die Glasplatten huschte, nahezu 5500 verschiedene Kombinationen aus Nickel, Eisen, Kobalt und Ceroxiden auf Stabilit\u00e4t und Leistungsf\u00e4higkeit. Der \u00fcberzeugendste Kandidat ist zwar nicht der beste Katalysator f\u00fcr diese Reaktion, aber er ist transparent und l\u00e4sst somit Photonen zum Lichtabsorber durchdringen. Mit dessen Material zeigt die ausgew\u00e4hlte Legierung zudem eine gute chemische Vertr\u00e4glichkeit.<\/p>\n
Eines der gr\u00f6\u00dften Hindernisse auf dem Weg zur k\u00fcnstlichen Fotosynthese stellt seit jeher das Material f\u00fcr die Photoanode dar, berichtet JCAP-Direktor Carl Koval. “Diese Dinger waren immer schrecklich instabil, h\u00e4ufig nicht einmal f\u00fcr Minuten stabil”, so der Elektrochemiker. Manche Forscher konzentrieren sich bei ihrer Suche auf Materialien, die sowohl kosteng\u00fcnstig als auch stabil sind \u2013 beispielsweise bestimmte Metalloxide \u2013 und versuchen, daraus gute Lichtabsorber zu machen. Andere nehmen sich dagegen lieber effiziente Lichtabsorber vor und arbeiten daran, diese Materialien stabil und billig zu gestalten.<\/p>\n
Ende Mai vermeldete ein Team vom JCAP einen Erfolg mit dem letztgenannten Ansatz [1]. Die Forscher ummantelten leistungsstarke Lichtabsorber \u2013 etwa aus Silizium \u2013 mit einer Schutzschicht aus Titandioxid und erzielten so eine deutlich h\u00f6here Stabilit\u00e4t. “Im Grunde haben wir damit nun das letzte Puzzlest\u00fcck, um einen Prototyp der ersten Generation zu bauen”, erl\u00e4utert Koval. Ihm zufolge wird man am JCAP bereits in den kommenden Monaten ein k\u00fcnstliches Blatt in Betrieb nehmen.<\/p>\n
Die Ver\u00f6ffentlichung eines Vorl\u00e4ufers samt Titandioxidbeschichtung sei schon in Arbeit, verr\u00e4t Lewis. “Es handelt sich um ein stabiles System mit einem Wirkungsgrad im zweistelligen Prozentbereich.” Um wirtschaftlich tragf\u00e4hig zu sein, so wird angenommen, muss der Wert mindestens zwischen 10 und 20 Prozent liegen. Die eingesetzten Lichtabsorber bestehen innen aus einkristallinem Silizium und sind damit zu teuer, um das System zu vermarkten, r\u00e4umt Lewis ein. Entwickelt man allerdings ein kosteng\u00fcnstigeres Herstellungsverfahren, k\u00f6nnte sich das System rechnen.<\/p>\n
Seit fast vier Jahren wird am JCAP geforscht. Anfangs, als noch neue Labore gebaut wurden, ging es noch langsam voran, doch sowohl Mitarbeiter als auch unabh\u00e4ngige Wissenschaftler loben den konsequenten Fokus auf die Entwicklung eines praxistauglichen Systems sowie die bisherigen Fortschritte. Sogar Turner, dessen Labor sich ebenfalls um den “Solar-fuels Hub” bewarb und gegen Lewis’ Team verlor, ist angetan von der aktuellen Ausrichtung des JCAP.<\/p>\n
Nat\u00fcrlich habe das Forschungszentrum auch seine Kritiker, so Koval. Einige beanstanden, dass der Schwerpunkt auf den Ingenieurwissenschaften sowie der Entwicklung von Prototypen liegt. Doch w\u00fcrde man sich am JCAP auf die Grundlagenforschung konzentrieren, so der Direktor, w\u00fcrde es nicht dem “nachkommen, wof\u00fcr das DOE das Forschungszentrum in erster Linie einrichtete”. Das JCAP verfolge nur eine von etlichen Ideen, bem\u00e4ngeln andere Kritiker, um die k\u00fcnstliche Fotosynthese voranzutreiben. “Viele w\u00e4ren zufriedener gewesen, wenn das DOE die Gelder auf alle diese verschiedenen Ans\u00e4tze verteilt h\u00e4tte”, berichtet Koval. Aber eine solches Aufteilen der Forschungsarbeit berge ebenfalls Risiken, h\u00e4lt der Elektrochemiker dagegen: “Man w\u00fcrde dann vielleicht nirgendwo Fortschritte erzielen.”<\/p>\n
Zudem werden viele der alternativen Ans\u00e4tze bereits an anderer Stelle verfolgt. Etwas weiter n\u00f6rdlich \u2013 in Santa Barbara, Kalifornien \u2013 testet ein junges Unternehmen namens HyperSolar beispielsweise ein System, in dem beschichtete Nano- oder Mikropartikel sowohl Lichtabsorber als auch Katalysator in sich vereinen und in einem transparenten, mit Wasser gef\u00fcllten Kunststoffbeutel verstaut werden. Scheint Sonnenlicht auf den Beutel, bilden sich Wasserstoff- und Sauerstoffgas darin, und er bl\u00e4ht sich auf. Solche Systeme lie\u00dfen sich gut in sonnigen Regionen wie W\u00fcsten einsetzen. Einem Bericht des DOE aus dem Jahr 2009 zufolge k\u00f6nnte dieser ‘Beutelansatz’ \u2013 wenn man preiswerte Materialien verwendet \u2013 mit einem Wirkungsgrad von zehn Prozent und \u00fcber zehn Jahre in Betrieb wirtschaftlich Wasserstoff erzeugen [5].<\/p>\n
Doch das System k\u00f6nne auch gef\u00e4hrlich werden, bemerkt Turner, denn Sauerstoff und Wasserstoff werden gemeinsam darin hergestellt. “Sind in einer W\u00fcste, sagen wir, 100 Quadratmeilen von solchen Beuteln einschlie\u00dflich dieser explosiven Mixtur \u00fcberzogen”, so der Elektrochemiker, “dann reicht ein Blitz, und es kommt zur Katastrophe.” Die Forscher bei HyperSolar erkunden verschiedene Wege, um diese Gefahr zu auszur\u00e4umen. Ein Konzept sieht ein System vor, in dem die Gase getrennt in zwei Beuteln gespeichert werden, berichtet Syed Mubeen. Der Postdoc an der University of California in Santa Barbara arbeitet als leitender Wissenschaftler im Unternehmen. Das System mit Abwasser an Stelle von reinem Wasser zu betreiben, ist eine andere Idee. Der Sauerstoff w\u00fcrde dann mit organischen Fremdstoffen reagieren und diese in verwertbare Chemikalien umwandeln. Dieser Ansatz “l\u00e4sst den Sauerstoff vollst\u00e4ndig au\u00dfen vor”, erl\u00e4utert Mubeen. Genau wie die Photoanode bei JCAP, sch\u00fctzt auch HyperSolar seinen Lichtabsorber durch eine Beschichtung.<\/p>\n
Ein weiterer Akteur auf dem Gebiet der k\u00fcnstlichen Fotosynthese ist die Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem). Dieser Zusammenschluss aus Hochschulen und Unternehmen wird von der Regierung mit einer \u00e4hnlichen Summe gef\u00f6rdert wie das JCAP \u2013 wenn auch \u00fcber zehn anstatt f\u00fcnf Jahre \u2013, um einen auf Beuteln basierten Ansatz zu entwickeln. Kazunari Domen von der University of Tokyo leitet eine Gruppe, die im Rahmen der ARPChem an der Wasserspaltung forscht. Dem Chemiker zufolge arbeitet eine der Firmen im Konsortium an einer Membran, um den erzeugten Wasserstoff vom Sauerstoff zu trennen.<\/p>\n
Andere Projekte setzen Lichtabsorber aus organischen Molek\u00fclen ein und nicht wie \u00fcblich aus Halbleitern. Einige Gruppen lassen sich bei diesen molekularen Strukturen direkt durch den pflanzlichen Fotosyntheseapparat inspirieren. In den vergangenen Jahren lie\u00df eine Materialklasse namens Perowskit die Solarindustrie aufhorchen, angesichts des hohen Wirkungsgrads bei der Energieumwandlung; diese Materialien k\u00f6nnten sich auch in der k\u00fcnstlichen Fotosynthese bew\u00e4hren, spekulieren einige Forscher.<\/p>\n
Der Chemiker Daniel Nocera von der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, gr\u00fcndete die Firma Sun Catalytix, um einen preiswerten Katalysator zu entwickeln. Im vergangenen Jahr k\u00fcndigte das Unternehmen jedoch an, die Forschung auf Eis zu legen und sich einem nicht ganz so anspruchsvollen Produkt zuzuwenden \u2013 einem, das den Investoren vermutlich schneller einen Gewinn beschert. Eine Entscheidung, die erneut die Herausforderung unterstreicht, vor denen die k\u00fcnstliche Fotosynthese steht, bevor ein wirtschaftlich tragf\u00e4higes System auf den Markt kommt.<\/p>\n
In Berkeley, Kalifornien, befindet sich der n\u00f6rdliche Standort des JCAP. An einem Fr\u00fchlingstag pr\u00e4sentieren Forscher in den Laborr\u00e4umen ihren Prototypen: Sobald eine Lampe auf den Kunststoffkasten in der Gr\u00f6\u00dfe einer CD-H\u00fclle scheint, steigen Wasserstoffbl\u00e4schen zwischen blauen Siliziumstreifen, jeweils ummantelt mit einem Katalysatormaterial, auf und treten durch Schl\u00e4uche an der Oberseite aus. Das System h\u00e4lt allerdings nicht lange durch, und auch der Wirkungsgrad ist nicht gerade berauschend. Gleichwohl motivieren die wie in einem Sektglas aufsteigenden Bl\u00e4schen, die durch nichts weiter als Licht hervorgerufen werden.<\/p>\n
Karl Walczak, der am JCAP als Postdoc mit an den Prototypen arbeitet, schiebt schlie\u00dflich einen zweiten Kunststoffkasten unter die Lampe. Im Inneren befindet sich ein kleines schwarzes Quadrat \u2013 eine mit Titandioxid beschichtete Photokathode. Augenblicklich steigen auch in diesem System kleine Blasen auf, allerdings deutlich schneller als beim ersten. “In diese Richtung geht die Forschung”, sagt Walczak.<\/p>\n
Solche Prototypen k\u00f6nnten letztlich in industriellen Anlagen zur Wasserstoffproduktion m\u00fcnden, hoffen die Wissenschaftler am JCAP. Ihnen schweben kilometerlange Anordnungen derartiger Zellen vor, der erzeugte Wasserstoff gelangt durch Rohre in einen Lagertank und ein Wasserturm sorgt stetig f\u00fcr Nachschub. Einige Forscher k\u00f6nnen sich auch Systeme f\u00fcr den Heimgebrauch vorstellen. Doch auf ein Hausdach falle einfach zu wenig Sonnenlicht, mahnt Lewis, um mit dem erzeugten Wasserstoff den Energiebedarf einer Familie zu decken. Fehlt es jedoch an Energieinfrastruktur, etwa in bestimmten Regionen von Entwicklungsl\u00e4ndern, halten andere Kollegen die Technik durchaus f\u00fcr sinnvoll. Denn mit ihr lie\u00dfe sich genau dort Brennstoff erzeugen, wo er ben\u00f6tigt wird.<\/p>\n
Wissenschaftler, ob am JCAP oder anderswo, machen derzeit Fortschritte an allen Fronten. “Doch letzten Endes”, so Devens Gust von der Arizona State University in Tempe, “wei\u00df noch niemand wirklich, welcher Ansatz sich behaupten wird, welcher sich als praktikabel erweist.”<\/p>\n
Welche Technik sich auch durchsetzen mag, sagt Lewis, die Sinnhaftigkeit einer k\u00fcnstlichen Fotosynthese ist unbestreitbar. “Unsere bei Weitem gr\u00f6\u00dfte Energiequelle ist die Sonne”, erl\u00e4utert der Wissenschaftler. “Und abgesehen von Atomkernen l\u00e4sst sich Energie am besten in chemischen Brennstoffen speichern. Zwangsl\u00e4ufig wird also jemand die gr\u00f6\u00dfte Quelle hernehmen und sie in der dichtesten Weise speichern.”<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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