Was kann ein Wissenschaftler schon \u00fcber die Welt in 100 Jahren sagen? Manchmal erstaunlich viel. Als der Chemiker Giacomo Luigi Ciamician an einem Septembertag des Jahres 1912 in New York vor seine Fachkollegen trat, berichtete er von einem Problem. “Die moderne Zivilisation ist eine Tochter der Kohle”, sagte Ciamician. “Kohle bietet dem Menschen die Energie der Sonne in ihrer konzentriertesten Form.” Dampfmaschinen hatten damals die Welt erobert, gef\u00fcttert wurden die hungrigen Biester mit Steinkohle, die \u00fcber Jahrmillionen aus den Resten von Pflanzen entstanden war. Und Steinkohle gab es scheinbar\u00a0unbegrenzt.<\/p>\n
“Aber Kohle ist nicht unersch\u00f6pflich”, warnte der aus Triest stammende Gelehrte, er konnte sogar auf Berechnungen verweisen. Also stellte er die entscheidende Frage: “Ist fossile Energie die einzige, die in modernen Kulturen genutzt werden kann?” Und Ciamician hatte sogar eine Antwort: Pflanzen. Sie gewinnen ihre gesamte Energie aus Wasser, Luft und Sonnenlicht, sie sollten das Vorbild f\u00fcr eine neue Form der Energiegewinnung sein. Mehr noch, der Mensch w\u00fcrde lernen, das Geheimnis der Pflanzen zu beherrschen und sie dazu zu bringen, “mehr Fr\u00fcchte zu tragen als in der Natur”. Es war die Vision einer fernen Zukunft. Konnte sie jemals wahr\u00a0werden?<\/p>\n
Ein gutes Jahrhundert sp\u00e4ter sieht es tats\u00e4chlich danach aus. Wissenschaftler schicken sich an, einen der wichtigsten Lebensprozesse auf der Erde endlich ganz eigenst\u00e4ndig nutzen zu k\u00f6nnen: die Fotosynthese. So bezeichnen Biologen die komplexe Abfolge von biochemischen Reaktionen, mit deren Hilfe alle gr\u00fcnen Pflanzen das Licht der Sonne und das Kohlendioxid aus der Luft in teils hochkomplexe Stoffe verwandeln. Forscher wollen diesen Prozess mit technischen und biotechnischen Mitteln neu erfinden. Nicht nur mehr der Energie wegen, sondern mittlerweile auch wegen des Klimawandels.<\/p>\n
Die k\u00fcnstliche Fotosynthese k\u00f6nnte Kohlendioxidemissionen in gro\u00dfem Umfang kompensieren, indem sie das Verbrennungsprodukt von organischen, also kohlenstoffhaltigen Verbindungen wieder einf\u00e4ngt. Weltweit arbeiten Chemiker, Biologen und Ingenieure deshalb daran, artifizielle Bl\u00e4tter und neuartige Fotoreaktoren zu entwickeln, um den Trick der Pflanzen nach eigenen Vorstellungen zu kopieren. Auch in Deutschland gibt es eine interdisziplin\u00e4re Arbeitsgruppe aus zahlreichen Forscherteams, die erst k\u00fcrzlich in Berlin zusammenkam, um den Stand der Forschung zu besprechen, der mittlerweile ziemlich umfangreich\u00a0ist.<\/p>\n
Auf drei verschiedenen Feldern wird versucht, das Fotosynthesekonzept nutzbar zu machen, von relativ einfach konstruierten Fotozellen zur Gewinnung von Wasserstoff \u00fcber biotechnologisch umgebaute Mikroorganismen, die aus Sonnenlicht und Kohlendioxid organische Wertstoffe herstellen – bis hin zu komplexen technischen Systemen, die in kleinen Schritten Energie sammeln sowie \u00fcbertragen und damit auch in der Lage sein sollen, nach Wunsch neue Substanzen auf Kohlenstoffbasis\u00a0herzustellen.<\/p>\n
Allem zugrunde liegt dabei nicht so sehr die Fotosynthese in all ihren Details, sondern eher in ihrem Prinzip. Dieses umfasst in der Pflanze erstens die Aufnahme von Lichtenergie durch einen konzentrierten Farbstoff, das Chlorophyll, das als eine Art Verschiebebahnhof f\u00fcr die aufgenommene Energie\u00a0dient.<\/p>\n
Obwohl in der Pflanze nur eine Anregung verschoben wird, keine elektrische Ladung in Form von Elektronen, kann man im \u00fcbertragenden Sinne auch sagen, dass das Licht im Farbstoff Strom erzeugt. Dieser Strom wird auf Wassermolek\u00fcle \u00fcbertragen, die dann zerfallen. Es entstehen Sauerstoffmolek\u00fcle, die ausgeatmet werden, und geladene Wasserstoffteilchen, die Protonen. Sie geben die verbliebene Lichtenergie \u00fcber zahlreiche Schritte an den universellen Energiespeicher des irdischen Lebens weiter, das sogenannte Adenosintriphosphat, kurz ATP. Diese molekulare Batterie liefert die Energie f\u00fcr alle nachfolgenden Prozesse, nicht zuletzt daf\u00fcr, Kohlendioxid zu\u00a0binden.<\/p>\n
Doch Pflanzen sind bei aller Ausgefeiltheit ihrer Biochemie nicht besonders effizient. Was daran liegen mag, dass ihr wichtigster Rohstoff, das Sonnenlicht, seit jeher unbegrenzt zur Verf\u00fcgung steht. So erreicht in jeder Stunde mehr Sonnenenergie die Erde, als die Menschheit in einem Jahr verbrauchen k\u00f6nnte. Unterm Strich setzen die gr\u00fcnen Gew\u00e4chse aber nur bis zu ein Prozent der solaren Strahlung um, die auf ihre Bl\u00e4tter und Triebe\u00a0trifft.<\/p>\n
Der technologische Umbau des Fotosyntheseprinzips soll dieses Problem auf unterschiedlichen Wegen l\u00f6sen. Dazu geh\u00f6ren bessere Enzyme, als sie zum Beispiel im zentralen Schaltwerk der Fotosynthese zu finden sind. Dort f\u00e4ngt die sogenannte Rubisco Kohlenstoffdioxidmolek\u00fcle f\u00fcr den Aufbau von Zucker ein. Die Rubisco, in voller L\u00e4nge Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase\/-oxygenase genannt, geh\u00f6rt damit sicher zu den interessantesten Biokatalysatoren in der Natur. Leider ist Rubisco aber auch eine der langsamen Sorten. Und Pflanzen m\u00f6gen ja Zeit haben. Der Mensch aber hat es meistens eilig. “Es gibt in der Natur Kohlendioxid-fixierende Enzyme ganz anderer Qualit\u00e4t”, sagt Tobias\u00a0Erb.<\/p>\n
Auch ein Reaktionstreiber aus der menschlichen Leber findet Platz in den neuen Konzepten<\/p>\n
Der Biologe vom Max-Planck-Institut f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie in Marburg hat mit seinem CETCH-Zyklus wohl einen der bisher ausgefallensten Beitr\u00e4ge zur k\u00fcnstlichen Fotosynthese geleistet. In einer Biodatenbank suchte er aus 40 000 Enzymen fast eineinhalb Dutzend heraus, die den Job der Kohlendioxid-Fixierung gemeinsam vermutlich besser erledigen k\u00f6nnen, als es eine Pflanze vermag. Die Biokatalysatoren stammen aus neun v\u00f6llig verschiedenen Organismen, darunter das Darmbakterium E. coli, das Purpurbakterium Rhodobacter und die Wiesenpflanze\u00a0Ackerschmalwand.<\/p>\n
Aber auch ein Reaktionstreiber aus der menschlichen Leber hat seinen Platz in Erbs Reaktionszyklus, der in der Lage ist, aus Kohlendioxid tats\u00e4chlich verwertbare organische Substanzen aufzubauen. Zum Beispiel Glyoxals\u00e4ure, die als Ausgangssubstanz f\u00fcr die Produktion von Antibiotika, Vanillin und anderen Stoffen dient. “Der Zyklus kann aber so ver\u00e4ndert werden, dass dabei zum Beispiel Rohstoffe f\u00fcr Biodiesel entstehen”, sagt Erb. Was seinem k\u00fcnstlichen System derzeit noch fehlt, ist die Anbindung ans Licht. Solarzellen oder ein Transfer des Systems in Algen sollen diese Verkn\u00fcpfung\u00a0leisten.<\/p>\n
Erbs Zyklus ist nur ein biologisches Beispiel, und es gibt inzwischen auch rein technische Ans\u00e4tze, Kohlendioxid mithilfe von Licht aus der Luft zu fangen oder reinen Wasserstoff als Treibstoff zu gewinnen. Die Projekte sind blo\u00df riskant – und Fehlschl\u00e4ge kann sich niemand leisten. Es wird daher auch eine Frage des politischen R\u00fcckhalts f\u00fcr solche Forschungen sein, ob Ciamicians Vision Realit\u00e4t werden\u00a0kann.<\/p>\n
Der Chemiker malte sich in New York \u00fcbrigens eine Zukunft aus, in der die von D\u00fcrre gezeichnete Erde mit gr\u00fcnen Bioreaktoren \u00fcberzogen sein w\u00fcrde. Ganz so weit muss es nicht kommen. Aber die k\u00fcnstliche Fotosynthese k\u00f6nnte einen Beitrag zu dem leisten, was Ciamician am Ende sagte: “Wenn unserer dunklen, hektischen Gesellschaft, die auf Kohle gegr\u00fcndet ist, in ferner Zukunft eine leisere Kultur folgt, die auf die Energie der Sonne gebaut ist – dann wird das f\u00fcr den Fortschritt und das Gl\u00fcck der Menschheit kein Schaden\u00a0sein.”<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Was kann ein Wissenschaftler schon \u00fcber die Welt in 100 Jahren sagen? Manchmal erstaunlich viel. Als der Chemiker Giacomo Luigi Ciamician an einem Septembertag des Jahres 1912 in New York vor seine Fachkollegen trat, berichtete er von einem Problem. “Die moderne Zivilisation ist eine Tochter der Kohle”, sagte Ciamician. “Kohle bietet dem Menschen die Energie […]<\/p>\n","protected":false},"author":59,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"","nova_meta_subtitle":"","footnotes":""},"categories":[5572,5571],"tags":[14051,14743,10743],"supplier":[5038],"class_list":["post-55206","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","category-co2-based","tag-energie","tag-fotosynthese","tag-useco2","supplier-max-planck-institut-fuer-terrestrische-mikrobiologie"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/55206","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\/59"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=55206"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/55206\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=55206"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=55206"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=55206"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=55206"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}