{"id":22098,"date":"2014-08-22T02:05:54","date_gmt":"2014-08-22T00:05:54","guid":{"rendered":"http:\/\/www.chemie.de\/news\/149499\/an-der-natuerlichen-quelle-solarer-brennstoffe.html?WT.mc_id=ca0065"},"modified":"2014-08-21T14:26:20","modified_gmt":"2014-08-21T12:26:20","slug":"der-naturlichen-quelle-solarer-brennstoffe","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/der-naturlichen-quelle-solarer-brennstoffe\/","title":{"rendered":"An der nat\u00fcrlichen Quelle solarer Brennstoffe"},"content":{"rendered":"

Viele Probleme der Energieversorgung k\u00f6nnten sich k\u00fcnftig nach dem Vorbild der Natur l\u00f6sen lassen: In der Fotosynthese erzeugen Pflanzen sowie Algen und einige Bakterienarten mit der Energie des Sonnenlichts Zucker und andere energiereiche Substanzen. Ein Team um Forscher des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Chemische Energiekonversion in M\u00fclheim an der Ruhr tr\u00e4gt nun dazu bei, diesen Prozess technisch nachzuahmen. Die Wissenschaftler haben aufgekl\u00e4rt, wie die genaue Struktur des Mangan-Kalzium-Komplexes, an dem ein Fotosynthese betreibendes Bakterium mithilfe der Sonnenenergie Wasser spaltet und Sauerstoff erzeugt, in einem entscheidenden Schritt dieser Reaktion aussieht. Dies f\u00fchrt zu einem Vorschlag, wie molekularer Sauerstoff O2<\/sub>\u00a0an diesem Metallkomplex im Detail entsteht. Mit ihren Einsichten in die Fotosynthese liefern die Wissenschaftler eine Blaupause f\u00fcr k\u00fcnstliche Systeme, die die Energie des Sonnenlichts in chemischen Energietr\u00e4gern speichern k\u00f6nnten.<\/strong><\/p>\n

\"standard\"
Die Struktur des in der Natur vorkommenden Mangan-Clusters, bevor die O-O Bindung entsteht (Mn \u2013 Mangan, O \u2013 Sauerstoff, Ca \u2013 Kalzium, H \u2013 Wasserstoff). Im Hintergrund der Zyklus der Wasserspaltung mit den Zwischenzust\u00e4nden des Mangan-Clusters S0<\/sub> bis S4<\/sub>
\u00a9 MPI f\u00fcr Chemische Energiekonversion<\/figcaption><\/figure>\n

Seit mehr als drei Milliarden Jahren nutzt die Natur das Sonnenlicht als prim\u00e4re Energiequelle f\u00fcr die Fotosynthese. Pflanzen, aber auch Algen und Cyanobakterien (Blaual-gen) spalten dabei mit Sonnenlicht Wasser und stellen aus Kohlendioxid (CO2<\/sub>) energiereiche chemische Verbindungen her. So entstehen Kohlenhydrate, die der Natur als solarer Brennstoff in der lebenden Zelle dienen. Der grundlegende Ablauf der Fotosynthese ist zwar schon seit Langem bekannt, doch Forscher des M\u00fclheimer Max-Planck-Instituts f\u00fcr Chemische Energiekonversion und des Kommissariats f\u00fcr Atomenergie und alternative Energien (Commissariat \u00e0 l’\u00c9nergie Atomique et aux l\u2019\u00e9nergies alternatives \u2013 CEA) im franz\u00f6sischen Saclay haben nun wichtige Details der lichtinduzierten Wasserspaltung aufgekl\u00e4rt. Sie legen so auch das wissenschaftliche Fundament, um im Rahmen einer k\u00fcnstlichen Fotosynthese aus Sonnenlicht und Wasser umweltfreundlich und kosteng\u00fcnstig Brennstoffe zu erzeugen und uns von den fossilen Energietr\u00e4gern Erd\u00f6l, Kohle und Erdgas unabh\u00e4ngig zu machen.<\/p>\n

Ein wasserspaltender Katalysator<\/h3>\n

Die lichtinduzierte katalytische Wasserspaltung l\u00e4uft an einem Metallkomplex ab, der in ein gro\u00dfes Membranprotein (Fotosystem II) eingebettet ist. Dieser Komplex setzt sich aus vier Mangan-Atomen (Mn) und einem Kalzium-Atom (Ca) zusammen, die durch ein Netzwerk von Sauerstoffbr\u00fccken verbunden sind. Dieser Wasser-oxidierende oder Sauerstoff-entwickelnde Komplex durchl\u00e4uft einen komplizierten Zyklus, der Protonen und Elektronen, also letztlich Wasserstoff, und molekularen Sauerstoff freisetzt.<\/p>\n

In einem Forschungsartikel, der diese Woche in Science ver\u00f6ffentlicht wurde, pr\u00e4sentiert das deutsch-franz\u00f6sische Forscherteam die Struktur des Komplexes aus Mangan und Kalzium direkt vor der Sauerstoffbildung. Dieser Einblick in einen Schl\u00fcsselschritt der pflanzlichen Fotosynthese ist von gro\u00dfer Bedeutung, um den Mechanismus der Fotosynthese genau zu verstehen und um nach deren Vorbild k\u00fcnstliche Systeme zur lichtinduzierten Wasserspaltung zu entwickeln.<\/p>\n

Die Arbeit ist das Ergebnis einer engen Kooperation zwischen der biophysikalischen und der theoretischen Abteilung des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Chemische Energiekonversion unter der Leitung von Wolfgang Lubitz und Frank Neese. In diesen Abteilungen haben Nicholas Cox und Dimitrios Pantazis ein interdisziplin\u00e4res Team zusammengestellt, das die molekularen Details der Wasserspaltung in der Natur verstehen m\u00f6chte.<\/p>\n

Bei der Erforschung des Fotosystems II stellen sich drei Herausforderungen<\/h3>\n

Die erste Herausforderung stellte sich den Forschern, als sie das Fotosystem II mit voll intaktem wasserspaltenden Komplex aus dem urspr\u00fcnglichen Organismus, einem thermophilen Cyanobakterium, das in hei\u00dfen Quellen und Vulkanen in Japan gefunden wurde und sehr robust ist, isolierten und anschlie\u00dfend reinigten. Um die sehr hohen Anforderungen an die Qualit\u00e4t der Pr\u00e4paration zu erf\u00fcllen, ben\u00f6tigten Forscher in Saclay in einer Kooperation mit Forschern aus Japan mehrere Jahre Entwicklungsarbeit.<\/p>\n

Der zweiten Herausforderung begegnete das Team, als es den Mangan-Komplex im Fotosystem II in den verschiedenen Zust\u00e4nden der Wasserspaltung charakterisierte. Diese H\u00fcrde nahmen die Forscher der biophysikalischen Abteilung des M\u00fclheimer Instituts mithilfe der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR). Diese erm\u00f6glicht es, die Elektronenverteilung in einem Molek\u00fcl oder Metallkomplex sichtbar zu machen, und erlaubt damit einen tiefen Einblick in die einzelnen Schritte der Wasserspaltung. \u201eDiese Messungen liefern neue Erkenntnisse und l\u00f6sen Probleme bei der exakten Analyse molekularer Strukturen in Reaktionsabl\u00e4ufen, die mit anderen Methoden nicht zug\u00e4nglich sind\u201d, sagt Alain Boussac vom CEA Saclay.<\/p>\n

Eine dritte Herausforderung bestand schlie\u00dflich darin, die gesammelten Informationen so zu nutzen, dass ein komplettes Strukturmodell des Bio-Katalysators entsteht. Neue theoretische Methoden und die Supercomputer der Theorieabteilung des Max-Planck-Instituts erm\u00f6glichten die daf\u00fcr ben\u00f6tigten Berechnungen. Auf diese Weise zeigten die Forscher, dass sich in der sp\u00e4ten Phase des Reaktionsablaufs ein zweites Wassermolek\u00fcl in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem aktiven Sauerstoffatom an den Komplex anlagert und dabei ein Proton abgibt. Dies f\u00fchrt dann im n\u00e4chsten Schritt direkt zur O-O Bindungsbildung.<\/p>\n

Brennstoff aus Sonnenlicht \u2013 die Natur kopieren<\/h3>\n

Durch die Entschl\u00fcsselung der Struktur und Funktion des wasserspaltenden Katalysators im Fotosystem II auf atomarer Ebene ist auch die Aufkl\u00e4rung des Mechanismus der Wasserspaltung in greifbare N\u00e4he ger\u00fcckt. Mit diesen Erkenntnissen, ergeben sich wichtige Kriterien f\u00fcr das Design \u00e4hnlicher synthetischer Katalysatoren, die Wasser mit umweltfreundlichen, kosteng\u00fcnstigen und gut verf\u00fcgbaren Elementen spalten. Derzeit werden zu diesem Zweck vielfach das teure Platin und andere seltene Metalle oder Metallkomplexe eingesetzt. Das verteuert die gro\u00dftechnische Produktion von erneuerbaren Energietr\u00e4gern wie Wasserstoff oder macht sie gar unm\u00f6glich.<\/p>\n

Mit bioinspirierten Katalysatoren k\u00f6nnte sich Wasserstoff oder ein anderer solarer Brennstoff dagegen kosteng\u00fcnstig erzeugen lassen, wenn man Fotovoltaikanlagen mit wasserspaltenden Katalysatoren kombinieren w\u00fcrde, um solare Brennstoffe zu erzeugen statt Strom zu produzieren. So k\u00f6nnte die Energiewirtschaft das Hauptproblem der Fotovoltaik \u00fcberwinden: Sonnenlicht steht als Energiequelle nicht rund um die Uhr zur Verf\u00fcgung, und Elektrizit\u00e4t eignet sich auch wenig, um Fahrzeuge anzutreiben. Das Konzept des solaren Brennstoffs erm\u00f6glicht es hingegen, Sonnenenergie direkt in chemischen Verbindungen zu speichern und somit unabh\u00e4ngig von Zeit und Ort zu nutzen.<\/p>\n

\u201eK\u00fcnstlicher Solar-Brennstoff er\u00f6ffnet regenerativen Energietechnologien weitreichende M\u00f6glichkeiten, insbesondere f\u00fcr den Verkehrs- und Infrastruktursektor, der immer noch auf fossile Brennstoffe angewiesen ist,\u201d sagt Wolfgang Lubitz, Direktor am Max-Planck-Institut f\u00fcr Chemische Energiekonversion \u201eEin effizienter, lichtgetriebener, wasserspaltender Katalysator auf Basis von h\u00e4ufigen Metallen wie Mangan br\u00e4chte hier einen gro\u00dfen Fortschritt. Der Einblick in das wasserspaltende Enzym der Natur hat die Grundlage f\u00fcr solche Entwicklungen geschaffen.\u201c<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Viele Probleme der Energieversorgung könnten sich künftig nach dem Vorbild der Natur lösen lassen: …<\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"","nova_meta_subtitle":"","footnotes":""},"categories":[5572],"tags":[],"supplier":[1761,621,5225],"class_list":["post-22098","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","supplier-commissariat-lnergie-atomique","supplier-max-planck-gesellschaft","supplier-max-planck-institut-fuer-chemische-energiekonversion"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/22098","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=22098"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/22098\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=22098"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=22098"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=22098"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=22098"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}