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Künstliche Fotosynthese: Lösung aller Energieprobleme?

Heidelberg. Die Sonne ist eine unerschöpfliche und zudem saubere Energiequelle. Fotovoltaikanlagen und Solarthermiekraftwerke zapfen sie bereits an und gewinnen aus Sonnenlicht Strom. Der ist jedoch nur sehr begrenzt speicherbar und muss sofort verbraucht werden. Sein Transport über weite Strecken ist zudem mit großen Verlusten verbunden. Nur über den Umweg der Wasserelektrolyse lässt sich elektrischer Strom in den breiter einsetzbaren Energieträger Wasserstoff umwandeln, was aber sehr ineffektiv ist.

Eine wesentlich elegantere Lösung macht uns die Natur seit jeher vor: die Fotosynthese. Dabei erzeugen Pflanzen, Algen und gewisse Bakterien mit Hilfe von Sonnenlicht aus Kohlendioxid und Wasser direkt energiereiche Zuckermoleküle. Schon seit einiger Zeit versuchen Forscher deshalb, den Vorgang künstlich nachzuahmen. Dabei geht es ihnen vor allem um den ersten Schritt der Fotosynthese: die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Die bisher erzielten Erfolge sind beachtlich. So präsentierte Daniel Nocera vom Massachussetts Institute of Technology vor zwei Jahren ein “künstliches Blatt”. Es besteht aus einer Solarzelle, in der auftreffendes Sonnenlicht freie Elektronen und “Löcher” (Elektronenfehlstellen) erzeugt. Die dem Licht zugewandte Seite ist mit einem cobalthaltigen Katalysator beschichtet, der mit Hilfe der Löcher aus Wasser Sauerstoff freisetzt. Die zurückbleibenden Protonen wandern zur anderen Seite und werden dort von einer Legierung aus Nickel, Molybdän und Zink mit Hilfe der Elektronen zu Wasserstoff reduziert. Der Wirkungsgrad liegt mit 2,5 bis 4,7 Prozent – je nach genauer Konfiguration – schon recht hoch. Pflanzen verwerten das auftreffende Sonnenlicht sogar nur zu 0,3 Prozent.

Allerdings ist dieses “Blatt” wegen der enthaltenen Metalle noch ziemlich teuer und auch nicht lange beständig. Markus Antonietti vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm hat sich deshalb auf ein anderes Material verlegt, das nicht nur sehr stabil, sondern auch einfach und preiswert herstellbar ist: graphitisches Kohlenstoffnitrid. Schon Justus Liebig kannte die Substanz im 19. Jahrhundert. Sie ist entfernt mit dem Chlorophyll des Blattgrüns verwandt und ähnelt stark dem Graphen – einer maschendrahtartigen Anordnung von Kohlenstoffatomen, der viele eine große Zukunft in der Elektronik vorhersagen.

Kohlenstoffnitrid als solches ist allerdings nicht sehr aktiv, was unter anderem an seinem zu geringen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen liegt. Wie Antonietti in Spektrum der Wissenschaft berichtet, konnte seine Gruppe aber bereits eine Steigerung um das Zehnfache erreichen, indem sie gezielt die Porosität des Materials erhöhte.

Eine weitere Verbesserung ließ sich durch Dotieren mit Schwefel oder Barbitursäure erreichen. Auf diese Weise konnten die Forscher die Quantenausbeute der Oxidation von Wasser zu Protonen und Sauerstoff für violette Strahlung einer Wellenlänge von 440 Nanometern immerhin auf 5,7 Prozent steigern. Hilfreich war auch die Zugabe von Nanoteilchen aus Cobaltoxid. Dadurch erhöhte sich die Quantenausbeute für die Wasserspaltung insgesamt auf 1,1 Prozent.

Alles in allem sehen die bisherigen Ergebnisse also ermutigend aus. Zwar veranschlagt Antonietti bis zur praktischen Einsatzreife seines Systems noch mindestens 20 Jahre. Doch die Aussichten wären verlockend. Wenn sich mit künstlichen Fotosynthesesystemen 10 Prozent der Solarenergie nutzen ließen, müssten sie nur 0,16 Prozent der Erdoberfläche bedecken, um den für 2030 vorausgesagten globalen Energiebedarf von 20 Terawattstunden zu decken. Als Standorte kämen dabei in erster Linie Wüsten in Frage, wo die Sonne fast immer scheint und keine Konkurrenz zu Agrarnutzflächen besteht. Ein Zehntel der Sahara, die 1,76 Prozent der Erdoberfläche einnimmt, würde bereits genügen.

Wie heutige Solarzellen ließen sich künstliche Fotosynthesesysteme aber auch auf Dächern installieren. Bei einer Lichtausbeute von 10 Prozent könnten sie beispielsweise 300 Tonnen Methanol pro Hektar und Jahr liefern. “Wären nur 100 Quadratmeter des eigenen Grundstücks damit bedeckt, bräuchte selbst ein leidenschaftlicher Autofahrer bei heutigem Treibstoffverbrauch nie mehr zur Tankstelle”, erklärt Antonietti.  (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, September 2013)

Wissenschaftliches Rätsel: Phänomenale Gedächtnisleistungen von Inselbegabten

Video: Gedaechtnis Giganten

»Solange wir das Savant-Syndrom nicht erklären können, können wir uns selbst nicht erklären«, meint Professor Darold Treffert, Chef der psychiatrischen Abteilung am St. Agnes Hospital in Fond du Lac (Wisconsin). Er ist seit mehr als 40 Jahren damit beschäftigt, inselbegabte Menschen, wie die Savants auch genannt werden, zu untersuchen. Inselbegabte sind oft behindert und hilfsbedürftig, verblüffen aber mit einem unglaublichen Gedächtnis, phänomenalen Rechenleistungen oder genialen künstlerischen Werken. Erklärungsversuche für Inselbegabung und Bewusstsein gibt es, aber können sie auch überzeugen?

Einer der alle anderen Inselbegabten übertrifft, ist Kim Peek. Schätzungsweise zwei Millionen Menschen haben ihn bei seinen öffentlichen Auftritten an Universitäten bestaunt. Kim hat sich den Inhalt von 7600 Sachbüchern Wort für Wort gemerkt. Dazu kennt er Detailinformationen ganzer Regionen: alle Städte, alle Straßen, alle Fahrpläne, dazu jeden Namen mit Adresse und Telefonnummer aus allen Telefonbüchern, die ihm jemals in die Hände gekommen sind. Nur mit Romanen fängt er nichts an. Dagegen ist für ihn die Wiedergabe der Baseball-Ergebnisse der letzten 40 Jahre und der Daten der meisten klassischen Musikstücke, wie Erstaufführung, Komponist oder Geburtsort des Komponisten eine leichte Übung. Aber wenn Kim sich selbst anziehen soll oder die Schuhe zubinden, dann scheitert er.

Kims Kopf ist von Geburt um ein Drittel größer, als der normaler Menschen. Eine enzephalografische Untersuchung zeigt aber in der Mitte seines Gehirns eine gähnende Leere. Ihm fehlt die Verbindung beider Hirnhälften und sein Kleinhirn ist verkümmert. Dagegen ist seine Leistung beim »Scannen« von Büchern, wie er es nennt, mehr als olympiareif. Er zieht beispielsweise die Telefonbücher ganz nah an seinen Augen vorbei. Die linke Seite am linken, die rechte am rechten Auge. So schafft er es, acht Seiten in 53 Sekunden zu scannen. Das sind weniger als 7 Sekunden pro Seite und ist damit schneller als der Scanner am heimischen PC. Wenn man glaubt, so schnell kann sich kein Mensch den Seiteninhalt merken, täuscht man sich. Kim kann es und er vergisst fast nichts.

»Kein Modell über Gehirnfunktionen ist komplett, bevor es nicht Kim mit einbezieht«, sagt Professor Treffert. Aber wie kann man die Leistungen der Inselbegabten erklären? Der Prozess der Signalübertragung im Gehirn funktioniert mithilfe von Nervenzellen. Diese nutzen eine Kombination aus elektrischen und chemischen Signalen, um miteinander zu kommunizieren. Wenn eine Zelle ihre elektrische Spannung ändert, führt das zur Freisetzung chemischer Botenstoffe. Diese wirken auf die nachfolgende Zelle ein. Daraufhin reagiert die nachfolgende Zelle ebenfalls mit einer Spannungsänderung und Freisetzung von Botenstoffen. Durch die Nutzung der chemischen Botenstoffe ist das ein schneckengleicher Prozess und nicht zu vergleichen mit der Hochgeschwindigkeit der Prozessoren heutiger Heimcomputer.

Den meisten Inselbegabten scheint eine gewisse Schädigung der linken Gehirnhälfte gemeinsam zu sein. Möglicherweise gibt es deshalb eine Überkompensation durch die rechte Gehirnhälfte, die für künstlerische, visuelle Fähigkeiten und konkrete Fakten zuständig ist. Was eine Überkompensation aber nicht zu erklären vermag, ist die hohe Geschwindigkeit der Gedächtnisleistungen eines Kim Peek. Und wenn man schon eine vollständige Erklärung für die Gehirnfunktion haben will, dann kann man das Bewusstsein nicht außen vor lassen. Denn eines scheint sicher: Ohne Bewusstsein wäre keine der Geistesleistungen der Inselbegabten möglich.

Als interdisziplinäre Arbeitsrichtung von Biologie und der Physik gehört es zum Aufgabenbereich der Quantenbiologie, geeignete quantenmechanische Erklärungsmodelle für die Gehirnfunktionen und Bewusstsein zu finden. Zu den bisherigen Erfolgen der Quantenbiologie zählt die Erklärung des Sehprozesses. Danach ist Sehen ein rein quantenmechanischer Prozess. Die Lichtteilchen (Photonen), die ins Auge fallen, werden von den zahlreichen Elektronen innerhalb der Netzhaut absorbiert. Das löst eine biochemische Kettenreaktion aus, die am Ende zu einem elektrischen Signal führt, welches im Gehirn weiterverarbeitet wird.

Was für die Erklärung des Sehprozesses vollbracht wurde, ist für die Beschreibung der Gehirnfunktion erst ansatzweise in Sicht. Zu sehr haben sich klassische Erklärungsmodelle ohne Quantenmechanik in den Köpfen der Forscher festgesetzt, als dass von heute auf morgen eine Änderung möglich wäre. Lieber werden unerklärliche Messwerte als sogenannte Messfehler in Kauf genommen, als dass vom klassischen Modell abgewichen wird. Ein Beispiel für eine klassische, aber falsche Erklärung ist das, was in dtv-Lexikon der Physik aus dem Jahre 1970 über die Elektrolyse (z. B. Wasserspaltung) steht: » […] Die Stromleitung innerhalb des Elektrolyten besteht in der Wanderung der positiven und negativen Ionen, die unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zu den Elektroden gelangen […]«

Wenn alle Ionen, d. h. also elektrisch geladene Atome oder Moleküle sich tatsächlich einen Weg durch den flüssigen Elektrolyten bahnen müssten, wäre die hohe Effizienz des Vorgangs nicht zu erklären. Zumindest bei der Wasserspaltung stimmt die klassische Erklärung nicht, wie Jan Sperling in seiner Dissertation 1999 an der Freien Universität Berlin nachwies: »Es besteht keine Möglichkeit, die anomalen Abweichungen der Messwerte […] klassisch widerspruchslos zu erklären. Dagegen ist, unter Einbeziehung von Quantenkorrelation […] ein direkter Zusammenhang […] ableitbar.«

Ist aber die Quantenmechanik und Quantenbiologie einschließlich ihrer unerklärlichen ‘spukhaften Fernwirkung’, wie Albert Einstein die Quantenkorrelation bezeichnete, tatsächlich die letzte Erklärungsebene für Gehirnfunktionen und Bewusstsein, so wie im 19. Jahrhundert die angeblich unteilbaren Atome eine letzte Erklärungsebene für die physikalische Welt waren? Quantenmechanik ist in Wirklichkeit nur ein abstrakter mathematischer Formalismus, wenn auch dessen Vorhersagen beeindruckend gut bestätigt werden. Aber möchte man einem Formalismus tatsächlich den Status der letzten physikalischen Erklärungsebene zugestehen? Der Autor und Verfasser des Sachbuchs Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen beantwortet die Frage, indem er eine weitere Erklärungsebene hinzufügt. Für ihn sind es Bewusstseinseinheiten, welche die letzte physikalische Erklärungsebene darstellen: »Bewusstsein ist der fundamentale Baustein von allem was existiert«. Auf der Basis dieser Bewusstseinseinheiten beschreibt er das ‘wahre Gesicht der Wirklichkeit’. So kommt man zu dem Schluss, dass die Quantenbiologie zwar die richtige wissenschaftliche Disziplin ist, um ein komplettes Modell der Gehirnfunktionen und des Bewusstseins zu liefern, dass dieses Modell aber noch einer weiteren physikalischen Erklärungsebene bedarf, wenn man sich nicht mit einem rein mathematischen Formalismus als Erklärung zufriedengeben möchte.