Die Photosynthese ist der grundlegende Mechanismus des Lebens auf der Erde – und ein Hoffnungsträger im Kampf gegen den Klimawandel. Experten weltweit entwickeln künstliche Varianten, die Sonnenlicht nutzen, um CO₂ und Wasser in nutzbare Brennstoffe umzuwandeln. Dies schafft ein Win-Win: erneuerbare Energie und gleichzeitige Senkung des atmosphärischen CO₂-Gehalts.
Pflanzen haben Milliarden Jahre gebraucht, um Photosynthese zu perfektionieren. Künstliche Systeme sind noch ineffizient, doch die Forschung boomt. Teams global arbeiten daran, diesen Prozess skalierbar zu machen.
Zweistufiger Prozess der Photosynthese
Photosynthese fängt nicht nur Sonnenlicht ein, sondern speichert es („Foto“-Phase) und wandelt es in Kohlenhydrate um („Synthese“-Phase). Pflanzen nutzen lichtgetriebene Proteine und Enzyme, um Elektronen freizusetzen, die CO₂ in Kohlenhydrate umformen. Künstliche Photosynthese folgt denselben Prinzipien.
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„Bei der natürlichen Photosynthese, die zum Kohlenstoffkreislauf gehört, nehmen Pflanzen Licht, CO₂ und Wasser auf und produzieren Zucker“, erklärt Phil De Luna, Doktorand am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik der University of Toronto. „In der künstlichen Photosynthese setzen wir anorganische Materialien ein: Solarzellen ernten die Energie, Katalysatoren wandeln sie elektrochemisch um.“
Der Clou: Langfristige Energiespeicherung in Brennstoffen. Im Gegensatz zu Solar- oder Windkraft mit Batterien ermöglicht dies saisonale Lagerung. „Für lange Speicherung und komplexe Brennstoffe brauchen wir bessere Lösungen“, betont De Luna. „Batterien eignen sich für Alltag und Autos, aber nicht für eine Boeing 747.“
Herausforderungen und Lösungsansätze
Für den ersten Schritt – Solarzellen – nutzen wir bewährte Photovoltaik, die jedoch teuer und ineffizient ist. Gary Hastings von der Georgia State University analysierte pflanzliche Prozesse: Elektronen bewegen sich effizient, ohne Rückkehr zur Ausgangsposition. „Sonst geht die Energie verloren“, sagt er. Solarmodule leiden hierunter. Hastings’ Forschung könnte Chemie und Kraftstoffproduktion revolutionieren – Prototypen sind jedoch Jahre entfernt.
Der zweite Schritt – CO₂ in Brennstoffe umwandeln – ist stabil und energieintensiv. Katalysatoren senken den Bedarf, altern doch schnell (z. B. aus Mangan, Titan, Kobalt). Ein kanadisch-chinesisches Team um Bo Zhang (Fudan University) entwickelte einen stabilen Mix aus Nickel, Eisen, Kobalt und Phosphor für neutralen pH-Wert. „Unser Katalysator ermöglicht membranfreie Elektrolyse bei niedriger Spannung“, erklärt Zhang. Mit 64 % Wirkungsgrad halten sie den Rekord.
„Das größte Problem ist der Scale-up“
Das Team erreichte die Halbfinals des NRG COSIA Carbon XPRIZE (bis zu 20 Mio. USD). Ziel: CO₂-Emissionen in Wertstoffe umwandeln. „Beim Hochskalieren sinkt die Effizienz“, warnt De Luna. Forscher optimieren Katalysatoren weiter.
Doppelter Gewinn
Künstliche Photosynthese hat enormes Potenzial als nachhaltige Technologie. „Das Feld entwickelt sich rasant – wir sind am Wendepunkt zur Kommerzialisierung“, sagt De Luna. Erfolg hängt von Politik und Industrie ab. Nach Forschern wie Hastings und Zhang folgt die Integration in globale Energienstrategien. Der Einsatz könnte Brennstoffe erzeugen und CO₂-Fußabdruck senken.