{"id":30828,"date":"2014-12-20T14:31:25","date_gmt":"2014-12-20T13:31:25","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fmaterialwissenschaften%2Fkuenstliche-photosynthese-aus-kohlendioxid-rohstoffe-gewinnen.html"},"modified":"2021-09-09T21:48:05","modified_gmt":"2021-09-09T19:48:05","slug":"kuenstliche-photosynthese-aus-kohlendioxid-rohstoffe-gewinnen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/kuenstliche-photosynthese-aus-kohlendioxid-rohstoffe-gewinnen\/","title":{"rendered":"K\u00fcnstliche Photosynthese \u2013 aus Kohlendioxid Rohstoffe gewinnen"},"content":{"rendered":"

In einem weiteren Schritt soll dies nun auch direkt mit Sonnenlicht funktionieren \u2013 was dem Vorbild der pflanzlichen Photosynthese nacheifert. Ihre Vision: Module, die sich an Geb\u00e4uden anbringen lassen und die mit Hilfe von Sonnenlicht und Kohlendioxid aus der Luft energiereiche Molek\u00fcle wie etwa Methanol produzieren.<\/strong><\/p>\n

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Wohl kein anderer chemischer Prozess auf Erden ist so produktiv wie die Photosynthese \u2013 jene biologische Prozesskette, die in gr\u00fcnen Pflanzen abl\u00e4uft und mithilfe von Sonnenenergie und Wasser aus Kohlendioxid (CO2<\/sub>) energiereiche Substanzen wie etwa Zucker aufbaut. Man sch\u00e4tzt, dass Pflanzen weltweit j\u00e4hrlich rund 150 Milliarden Tonnen energiereicher Biomasse produzieren \u2013 eine gigantische Menge. Schon lange versuchen daher Forscher, die Biomaschinerie der Photosynthese nachzuahmen, um quasi kostenlos aus Sonnenenergie und Kohlendioxid chemische Substanzen herzustellen.<\/p>\n

Bisher jedoch mit wenig Erfolg: In den Prozessen der Photosynthese wirken viele eng gekoppelte, extrem komplexe Eiwei\u00dfstrukturen aus vielen tausend Atomen in genau definierter Anordnung, die sich nicht einfach im Labor nachbauen lassen. Der Traum der Wissenschaftler, mithilfe von Sonnenlicht eine effiziente biochemische Fabrik zu betreiben, ist daher bislang unerf\u00fcllt geblieben.<\/p>\n

Doch jetzt sind Entwickler von Siemens Corporate Technology (CT) in M\u00fcnchen der Vision von der k\u00fcnstlichen Photosynthese ein gutes St\u00fcck n\u00e4her gekommen. Sie haben Module von der Gr\u00f6\u00dfe eines Schuhkartons entwickelt, in denen sie Kohlendioxid wie in den Zellen von Pflanzen energetisch anregen. Das so aktivierte CO2<\/sub> reagiert darin, je nach Versuchsbedingung, zu verschiedenen anderen Molek\u00fclen \u2013 zu Ethen \u00a0beispielsweise, das in der chemischen Industrie f\u00fcr die Kunststoffproduktion ben\u00f6tigt wird. Oder zum energiereichen Gas Methan, das Hauptbestandteil von Erdgas ist. Oder zu Kohlenmonoxid, das man unter anderem f\u00fcr die Herstellung von Treibstoffen und Industriealkohol verwenden kann.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Kohlendioxid auf Trab bringen<\/h3>\n<\/div>\n
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In der Natur bringen Pflanzen das Kohlendioxid auf Trab, indem sie mit Farbstoffen wie dem gr\u00fcnen Chlorophyll Sonnenenergie einfangen. Dadurch werden im Chlorophyll energiereiche Elektronen frei, die anschlie\u00dfend durch Enzyme auf das CO2<\/sub> \u00fcbertragen werden. Damit wird das CO2 <\/sub>chemisch aktiv und reagiert zu anderen Verbindungen. \u201eVor allem in den USA und in Japan gibt es einige Arbeitsgruppen, die versuchen, die Photosynthese in G\u00e4nze nachzuahmen\u201c, sagt Prof. Maximilian Fleischer, der bei der CT die Forschung an der k\u00fcnstlichen Photosynthese im Projekt \u201eCO2<\/sub>toValue\u201c leitet. \u201eDas ist aufgrund der Komplexit\u00e4t bislang kaum zu schaffen. Wir gehen pragmatischer vor und n\u00e4hern uns der Photosynthese in mehreren Schritten. Ein notwendiger Weg, wenn man schnell mit einem Produkt auf den Markt kommen m\u00f6chte.\u201c<\/p>\n

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So konzentrieren sich Fleischer, seine Kollegen, die Chemiker G\u00fcnther Schmid und Kerstin Wiesner, sowie etwa zehn weitere Mitarbeiter derzeit noch nicht darauf, Licht einzufangen, sondern zun\u00e4chst das CO2 <\/sub>zu aktivieren und in Produkte zu verwandeln. Daf\u00fcr verwenden die Forscher regenerativ erzeugten Strom.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Zusammenarbeit mit Hochschulen<\/h3>\n<\/div>\n
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Der Dreh- und Angelpunkt f\u00fcr CO2<\/sub>toValue sind Katalysatoren, chemische Verbindungen, die das tr\u00e4ge CO2 <\/sub>mit energiereichen Elektronen beladen. Die Herausforderung besteht darin, nicht \u00a0das umgebende Wasser mit den Elektroden zu beladen, wodurch lediglich herk\u00f6mmlicher Wasserstoff produziert w\u00fcrde, sondern eben das Kohlendioxid. In Zusammenarbeit mit Spezialisten von der Schweizer Universit\u00e4t Lausanne und Materialkundlern von der Universit\u00e4t Bayreuth, die in diesem Projekt im Auftrag von Siemens an Katalysatoren forschen, sind bereits verschiedene Katalysatoren unter anderem auf Kupferbasis entstanden, mit denen das Team eine hohe Ausbeute an Produkten wie etwa Kohlenmonoxid erreicht.<\/p>\n

Die Entwicklung von Katalysatoren ist anspruchsvoll. Nur zu einem Teil l\u00e4sst sich das Verhalten dieser Substanzen vorhersagen. Deshalb m\u00fcssen die Wissenschaftler in langen Versuchsreihen und unter verschiedenen Versuchsbedingungen jede neue Katalysator-Variante testen \u2013 ein aufw\u00e4ndiges Prozedere. Hinzu kommt, dass auch die Oberfl\u00e4chenstruktur des Katalysators seine Wirksamkeit bestimmt. Der Herstellungsprozess muss pr\u00e4zise gesteuert werden, damit am Ende eine reaktionsfreudige gro\u00dfe Oberfl\u00e4che entsteht, die einer schroffen Gebirgslandschaft en miniature \u00e4hnelt. Die Katalysatoren, die Schmid zusammen mit den Hochschulpartnern entwickelt hat, sind schon sehr leistungsf\u00e4hig, sodass ein gro\u00dfer Teil des Kohlendioxids in die gew\u00fcnschten Produkte ungesetzt wird.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Photosynthese in der Elektrolyse-Zelle<\/h3>\n<\/div>\n
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Fleischer schaut durch zwei Fenster aus Plexiglas in das kleine Photosynthese-Modul, in dem es kr\u00e4ftig blubbert. Im Grunde ist der kleine Kasten eine Elektrolyse-Zelle: Der Strom wird \u00fcber Elektroden in eine Art Sprudelwasser geleitet, das ausreichend CO2<\/sub> enth\u00e4lt und elektrisch leitf\u00e4hig gemacht wurde.<\/p>\n

Die Kunst besteht nun darin, den Minuspol aus dem speziellen Katalysator so herzustellen, dass er die Elektronen gezielt auf das CO2<\/sub> \u00fcbertr\u00e4gt und das gew\u00fcnschte Produkt erzeugt. An dem anderen Pol wird Wasser umgewandelt: Der im Wasser enthaltene Wasserstoff wird zur Bildung der Kohlenwasserstoffe ben\u00f6tigt. Der aus dem Wasser frei werdende Sauerstoff kann, je nach gew\u00fcnschtem Produkt, ebenfalls verwertet werden. Das im Wasser enthaltene Kohlendioxid wird im Labor zun\u00e4chst aus Gasflaschen in die Elektrolyse-Zelle eingeblasen. \u201eBei der Herstellung von Kohlenmonoxid klappt das bereits sehr gut. 95 Prozent des elektrischen Stroms flie\u00dfen tats\u00e4chlich in die Kohlenmonoxid-Produktion\u201c, erkl\u00e4rt Fleischer. Durch die Wahl eines entsprechenden Katalysators sowie die Ver\u00e4nderung der Stromdichte oder gel\u00f6sten Salzen im Wasser k\u00f6nnen die Forscher dann exakt steuern, ob das Kohlendioxid zu Ethen oder etwa Kohlenmonoxid reagiert. Siemens-Forscher Fleischer zielt vor allem auf hochwertige Substanzen, die die chemische Industrie ben\u00f6tigt. Diese sind besonders interessant, weil die chemische Industrie heute noch fast g\u00e4nzlich von Grundstoffen aus der schwindenden Ressource Erd\u00f6l abh\u00e4ngig ist.<\/p>\n

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\u201eNat\u00fcrlich k\u00f6nnten wir auch Methangas produzieren, aber das w\u00e4re f\u00fcr uns kein Gesch\u00e4ftsmodell \u2013 denn Methan aus Erdgas ist sehr viel billiger.\u201c Produziere man aber gefragte Chemikalien wie Kohlenmonoxid, Ethen oder Alkohole, die derzeit zwischen 650 und 1200 Euro pro Tonne kosten und von denen viele Millionen Tonnen pro Jahr ben\u00f6tigt werden, dann werde sich die Anlage rechnen. Bereits 2015 soll in Fleischers Labor ein gr\u00f6\u00dferer Demonstrator in Betrieb gehen, dessen Leistung im Vergleich zur heutigen Anlage nicht mehr im Watt-, sondern im Kilowattbereich liegen wird.<\/p>\n

Sp\u00e4testens dann will Fleischer auch die Sonne einfangen. Ihm schwebt vor, die Photosynthese in gl\u00e4sernen Modulen, \u00e4hnlich Photovoltaikzellen, zu betreiben, auf deren Oberseite das Licht einf\u00e4llt, w\u00e4hrend auf der Unterseite Kohlendioxid in das System gelangt. Die Arbeitsweise der Lichtf\u00e4nger steht laut Fleischer bereits fest: Statt komplexe Chlorophyll-Molek\u00fcle nachzuahmen, m\u00f6chte er so genannte Lichtsammelk\u00f6rner auf der Basis von Halbleitern einsetzen. Diese werden mit den Katalysatoren umh\u00fcllt. Funktioniert alles nach Plan, wird der Halbleiter energiereiche Elektronen bereitstellen, die der Katalysator in Sekundenbruchteilen auf das CO2<\/sub> \u00fcbertr\u00e4gt. Damit wird der Prozess dann direkt durch Licht getrieben.<\/p>\n

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In etwa zwei Jahren soll es soweit sein. Je nach Anwendung soll sp\u00e4ter CO2 <\/sub>erst einmal aus den Abgasen von Kraftwerken, Fabriken und der chemischen Industrie genutzt werden. Im n\u00e4chsten Schritt soll CO2<\/sub> aus der Atmosph\u00e4re genutzt werden. Dieses ist dort nur in geringer Konzentration vorhanden. Die Siemens-Forscher arbeiten deshalb an Stoffen, die CO2 <\/sub>wie ein Schwamm aufsaugen k\u00f6nnen. Dann wird es sogar m\u00f6glich sein, den Bio-Treibstoff Methanol zu erzeugen. Fleischer h\u00e4lt diese Perspektive f\u00fcr ausgesprochen verlockend. \u201eMit den Modulen k\u00f6nnte man Hausfassaden verkleiden und so das CO2 <\/sub>aus der Luft und den Abgasen auffangen \u2013 und daraus wiederum Bio-Treibstoff herstellen.\u201c<\/p>\n

Doch auch in der ersten Stufe \u2013 ohne Lichtsammeleigenschaft \u2013 ist die k\u00fcnstliche Photosynthese faszinierend. Fleischer sieht darin auch eine M\u00f6glichkeit, regenerative Energien zu speichern. \u201eIn Deutschland steht schon heute an windreichen und sonnigen Tagen mehr gr\u00fcner Strom zur Verf\u00fcgung als ben\u00f6tigt wird \u2013 Stromspeicher in ausreichender Menge fehlen jedoch. Speist man den Strom aber in Photosynthese-Module, lie\u00dfe er sich f\u00fcr die Produktion wertvoller Chemikalien nutzen, was zugleich auch die wertvollen Erd\u00f6l-Ressourcen schont und Treibhausgas-Emissionen reduziert\u201c. \u00a0\u201eNebenbei h\u00e4tte der Mensch es dann geschafft, den produktivsten chemischen Prozess der Erde nachzuahmen. Der Traum, eine biochemische Fabrik effizient mit Sonnenlicht zu betreiben, k\u00f6nnte Wirklichkeit werden.\u201c<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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