Photosynthese:grundlegender Mechanismus für das Leben auf diesem Planeten, Geißel der GCSE-Biologiestudenten und jetzt ein potenzieller Weg zur Bekämpfung des Klimawandels. Wissenschaftler arbeiten hart daran, eine künstliche Methode zu entwickeln, die nachahmt, wie Pflanzen das Sonnenlicht nutzen, um CO2 und Wasser in etwas umzuwandeln, das wir als Brennstoff verwenden können. Wenn es funktioniert, ist es ein Win-Win-Szenario für uns:Wir werden nicht nur von der auf diese Weise erzeugten erneuerbaren Energie profitieren, sondern es könnte auch ein wichtiger Weg zur Reduzierung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre werden.
Pflanzen brauchten jedoch Milliarden von Jahren, um die Photosynthese zu entwickeln, und es ist nicht immer einfach, das zu reproduzieren, was in der Natur passiert. Im Moment funktionieren die grundlegenden Schritte in der künstlichen Photosynthese, aber nicht sehr effizient. Die gute Nachricht ist, dass die Forschung auf diesem Gebiet an Fahrt gewinnt und es Gruppen auf der ganzen Welt gibt, die Schritte unternehmen, um diesen integralen Prozess nutzbar zu machen.
Zweistufige Photosynthese
Bei der Photosynthese geht es nicht nur darum, Sonnenlicht einzufangen. Eine Eidechse, die in der warmen Sonne badet, kann das. Die Photosynthese hat sich in Pflanzen entwickelt, um diese Energie einzufangen und zu speichern (das „Foto“-Bit) und sie in Kohlenhydrate umzuwandeln (das „Synthese“-Bit). Pflanzen verwenden eine Reihe von Proteinen und Enzymen, die durch Sonnenlicht angetrieben werden, um Elektronen freizusetzen, die wiederum zur Umwandlung von CO2 in komplexe Kohlenhydrate verwendet werden. Grundsätzlich folgt die künstliche Photosynthese den gleichen Schritten.
Siehe dazu Laternenpfähle in London werden zu Ladestationen Solarenergie in Großbritannien:Wie funktioniert Solarenergie und was sind ihre Vorteile?
„Bei der natürlichen Photosynthese, die Teil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs ist, gelangen Licht, CO2 und Wasser in die Pflanze, und die Pflanze produziert Zucker“, erklärt Phil De Luna, Doktorand am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik bei der Universität Toronto. „Bei der künstlichen Photosynthese verwenden wir anorganische Geräte und Materialien. Der eigentliche Teil der Solarernte wird von Solarzellen durchgeführt und der Teil der Energieumwandlung erfolgt durch elektrochemische [Reaktionen in Gegenwart von] Katalysatoren.“
Was an diesem Verfahren wirklich attraktiv ist, ist die Fähigkeit, Brennstoff für die langfristige Energiespeicherung herzustellen. Dies ist so viel mehr als das, was aktuelle erneuerbare Energiequellen leisten können, selbst mit der aufkommenden Batterietechnologie. Wenn zum Beispiel die Sonne nicht scheint oder es kein windiger Tag ist, hören Sonnenkollektoren und Windparks einfach auf zu produzieren. „Für längere saisonale Lagerung und Lagerung in komplexen Brennstoffen brauchen wir eine bessere Lösung“, sagt De Luna. „Akkus sind großartig für den Alltag, für Telefone und sogar für Autos, aber wir werden niemals eine [Boeing] 747 mit einem Akku betreiben.“
Zu lösende Herausforderungen
Für die Herstellung von Solarzellen – dem ersten Schritt im Prozess der künstlichen Photosynthese – haben wir die Technologie bereits im Einsatz:Solarstromsysteme. Allerdings sind aktuelle Photovoltaikmodule, bei denen es sich typischerweise um halbleiterbasierte Systeme handelt, im Vergleich zur Natur relativ teuer und ineffizient. Eine neue Technologie wird benötigt; eine, die viel weniger Energie verschwendet.
Gary Hastings und sein Team von der Georgia State University, Atlanta, sind vielleicht beim Betrachten des ursprünglichen Prozesses in Pflanzen auf einen Ausgangspunkt gestoßen. Bei der Photosynthese geht es darum, Elektronen über eine bestimmte Distanz in der Zelle zu bewegen. Ganz einfach ausgedrückt ist es diese durch Sonnenlicht verursachte Bewegung, die später in Energie umgewandelt wird. Hastings zeigte, dass der Prozess in der Natur sehr effizient ist, weil diese Elektronen nicht an ihre ursprüngliche Position zurückkehren können:„Wenn das Elektron dorthin zurückkehrt, wo es herkam, dann geht die Sonnenenergie verloren.“ Während diese Möglichkeit bei Pflanzen selten ist, kommt sie bei Solarmodulen ziemlich häufig vor, was erklärt, warum sie weniger effizient sind als das Original.
Hastings glaubt, dass diese „Forschung wahrscheinlich Solarzellentechnologien im Zusammenhang mit der Chemie- oder Kraftstoffproduktion voranbringen wird“, weist jedoch schnell darauf hin, dass dies im Moment nur eine Idee ist und dieser Fortschritt in absehbarer Zeit unwahrscheinlich ist. “In terms of the fabrication of a fully artificial solar-cell technology that’s designed based on these ideas, I believe that technology is further off in the future, likely not within the next five years even for a prototype.”
One problem researchers believe we are close to solving involves the second step in the process:converting CO2 into fuel. As this molecule is very stable and it takes an incredible amount of energy to break it, the artificial system uses catalysts to lower the energy required and help speed up the reaction. However, this approach brings its own set of problems. There have been many attempts over the past ten years, with catalysts made out of manganese, titanium and cobalt, but prolonged use has proven itself a problem. The theory may seem good, but they either stop working after a few hours, become unstable, slow or trigger other chemical reactions that may damage the cell.
But a collaboration between Canadian and Chinese researchers seems to have hit the jackpot. They found a way to combine nickel, iron, cobalt and phosphorus to work in a neutral pH, which makes running the system considerably easier. “Since our catalyst can work well in neutral pH electrolyte, which is necessary for CO2 reduction, we can run the electrolysis of CO2 reduction in [a] membrane-free system, and hence the voltage can be decreased”, says Bo Zhang, from the Department of Macromolecular Science at Fudan University, China. With an impressive 64% electrical-to-chemical power conversion, the team are now record holders with the highest efficiency for artificial photosynthesis systems.
“The biggest issue with what we have right now is scale”
For their efforts, the team reached the semi-finals in the NRG COSIA Carbon XPRIZE, which could win them $20 million for their research. The aim is to “develop breakthrough technologies that will convert CO2 emissions from power plants and industrial facilities into valuable products” and with their improved artificial photosynthesis systems, they have a good chance.
The next challenge is scaling up. “The biggest issue with what we have right now is scale. When we scale up, we end up losing efficiency,” says De Luna, who was also involved in Zhang’s study. Luckily, researchers haven’t exhausted their list of improvements, and are now trying to make catalysts more efficient through different compositions and different configurations.
Winning on two fronts
There’s certainly still room for improvement in both the short and long term, but many feel artificial photosynthesis has the potential to become an important tool as a clean and sustainable technology for the future.
“It’s incredibly exciting because the field is moving so quickly. In terms of commercialisation, we’re at the tipping point,” says De Luna, adding that, whether it works “is going to depend on a lot of factors, which include public policy and the adoption by the industry to accept renewable energy technology.”
Getting the science right is really only the first step, then. In the wake of research by the likes of Hastings and Zhang will come the crucial move to absorb artificial photosynthesis into our global strategy around renewable energy. Es geht um viel. If it pulls through, we stand to win on two fronts – not only producing fuels and chemical products, but also reducing our carbon footprint in the process.