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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)

Uratmosphäre auf Super-Erde entdeckt

Die Super-Erde GJ 1214b (vorne links) zieht vor ihrem Zentralstern vorbei. Foto: Paul A. Kempton

(pug) Ein internationales Team von Wissenschaftlern der Universität Göttingen, des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und der University of California in Santa Cruz hat erstmals bei einer sogenannten Super-Erde die Struktur ihrer Atmosphäre untersuchen können. Die Forscher beobachteten den erst vor knapp einem Jahr entdeckten Planeten GJ 1214b, der außerhalb unseres Sonnensystems liegt und nur wenig größer als unsere Erde ist. „Dies ist die erste Super-Erde, bei der eine Atmosphäre nachgewiesen und untersucht wurde. Wir haben einen echten Meilenstein auf dem Weg zu einer Charakterisierung dieser Welten erreicht“, so der Leiter der Studie Dr. Jacob Bean.

Als Super-Erde bezeichnen Astronomen Planeten, die bis zu dreimal so groß wie die Erde sind und die ein- bis zehnfache Masse haben können. Man nimmt an, dass Super-Erden ein überwiegend festes Inneres haben und womöglich aus einem Gemisch aus Fels und Eis bestehen. Bislang sind erst sehr wenige von ihnen bekannt, besonders im Vergleich zu den sogenannten Gasriesen, die mittlerweile zu hunderten in Umlaufbahnen um ferne Sterne entdeckt worden sind. GJ 1214b ist 2,7-mal so groß und 6,5-mal so massereich wie unsere Erde.

Um seine Atmosphäre nachzuweisen, beobachteten die Astronomen den Planeten, während er vor seinem Zentralstern vorbeizog. Dabei leuchtet das Licht des Sterns aus unserer Perspektive den Planeten „von hinten“ an, wodurch die Atmosphäre, die den Planeten umgibt, sichtbar wird. Das Licht scheint durch die Atmosphäre des Planeten hindurch, die gasförmigen Bestandteile der Atmosphäre absorbieren das Licht bei charakteristischen Wellenlängen und das so beobachtbare Spektrum kann als „chemischer Fingerabdruck“ interpretiert werden. Mit vergleichbaren Beobachtungen konnten zuvor schon Gase wie Wasserstoff, Methan und Natriumdampf in den Atmosphären ferner „heißer Jupiter“ nachgewiesen werden.

Die genaue chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist bislang noch unklar. Die deutschen und amerikanischen Wissenschaftler beobachteten die Super-Erde mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile im nahinfraroten Spektralbereich. Ob die Atmosphäre des Planeten eher dampf- oder eher gasreich ist, könnten weitere Beobachtungen im langwelligen Infrarotbereich klären. Die neuen Beobachtungen schließen allerdings aus, dass der Planet von einer wolkenlosen wasserstoffreichen Atmosphäre umgeben ist. Bestünde die Atmosphäre von GJ 1214b überwiegend aus Wasserstoff, müsste sie wie auf der Venus von einer dichten Wolkendecke oder wie auf dem Saturnmond Titan von einem hochgelegenen Schleier von Aerosolen verhüllt sein.

Die Daten ließen sich aber auch durch eine weit dichtere Gashülle mit einem hohen Anteil schwerer Gase erklären. „Mit den aktuellen Beobachtungen können wir noch nicht sicher entscheiden, von welcher genauen Beschaffenheit diese Atmosphäre ist. Aber sie zeigen sicher, dass sie sich von allen bisher beobachteten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems unterscheidet“, erläutert Dr. Derek Homeier von der Universität Göttingen. „Sie könnte der Uratmosphäre unserer Erde weit ähnlicher sein, oder auch auf eine wasserreiche Welt mit einer Hülle aus Wasserdampf hinweisen.“ Und Dr. Bean ergänzt: „Eine solche Atmosphäre müsste zu mindestens einem Fünftel aus Wasserdampf bestehen. Damit würde sie sich sehr von unserer Erdatmosphäre unterscheiden, die aus vier Fünfteln Stickstoff und einem Fünftel Sauerstoff besteht, mit nur kleinen Spuren von Wasserdampf. Etwas Vergleichbares existiert in unserem Sonnensystem nicht.“ (Quelle: idw, Foto: Die Super-Erde GJ 1214b (vorne links) zieht vor ihrem Zentralstern vorbei – Paul A. Kempton). Originalveröffentlichung: Jacob Bean et al. A ground-based transmission spectrum of the super-Earth exoplanet GJ 1214b. Nature. DOI: 10-1038/nature09596

Einzigartiger Weg zur Wasserstofferzeugung aus Wasser gefunden

Professor David Milstein Weizmann Institute of Science
Professor David MilsteinWeizmann Institute of Science
(idw). Die Entwicklung eines effizienten künstlichen Katalysators, mit dessen Hilfe durch Sonnenlicht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten werden kann, ist ein Hauptziel in der Erforschung sauberer, erneuerbarer Energiequellen. Wissenschaftler vom Weizmann Institut haben ein neues Verfahren entwickelt, bei dem in mehreren Einzelschritten und ohne Zusatz von schädlichen Chemikalien Wasser durch Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird.

Die Entwicklung eines effektiven, mit Sonnenlicht angetriebenen Systems zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gehört heute zu den wichtigsten Herausforderungen der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere mit Hinblick auf das Langzeitpotenzial von Wasserstoff als sauberen, umweltfreundlichen Treibstoff. Die existierenden künstlich entwickelten Systeme sind sehr ineffizient und benötigen zumeist den Einsatz zusätzlicher chemischerWirkstoffe, weshalb die Entwicklung neuer Methoden zur Aufspaltung von Wasser so wichtig ist.

Prof. David Milstein und seine Kollegen vom Fachbereich Organische Chemie am Weizmann Institut haben einen einzigartigen Ansatz entwickelt, der wichtige Stufen zur Bewältigung dieser Herausforderung bietet. Das Forschungsteam konnte eine neue Art der Bindungsentstehung zwischen Sauerstoffatomen nachweisen und sogar ihren Mechanismus bestimmen. Den Flaschenhals beim Aufspaltungsprozess von Wasser stellt eigentlich die Erzeugung von Sauerstoffgas durch die Formation einer Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen aus Wassermolekülen dar. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden kürzlich in Science veröffentlicht.

Die Natur hat einen anderen Weg eingeschlagen und dabei ein sehr produktives Verfahren entwickelt: die Photosynthese in den Pflanzen ist die Quelle allen Sauerstoffs auf der Erde. Obwohl es deutliche Fortschritte im Verständnis der Photosynthese gegeben hat, ist noch immer unklar, wie dieses System funktioniert; weltweit bemüht man man sich intensivst – jedoch ohne große Erfolge – um die Entwicklung eines künstlicher photosynthetischer Systeme, welche auf Metallkomplexen basieren, die als Katalysatoren dienen. (Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion steigern kann, ohne selbst verbraucht zu werden.)

Der neue Ansatz des Weizmann-Teams unterteilt sich in eine Serie von aufeinanderfolgenden thermalen und durch Licht beeinflussten Reaktionen, die zur Freilassung von Wasserstoff und Sauerstoff in Stufen führen. Die Reaktionen werden durch einen einzigartigen Zusatz katalysiert: ein besonderer Metallkomplex, den das Milstein-Team in vorherigen Forschungsstudien entwickelte. Darüber hinaus ist der von ihnen entworfene Metallkomplex, der auf dem Element Ruthenium beruht, ein “schlauer” Komplex, in dem das Metallzentrum und der angeheftete organische Teil bei der Aufspaltung des Wassermoleküls zusammenwirken.

Das Team fand heraus, dass beim Vermischen des Komplexes mit Wasser, die Bindung zwischen einem Wasserstoffatom und dem Sauerstoffatom im Wassermolekül aufbricht, wobei das Wasserstoffatom sich an den organischen Teil anbindet, während das verbliebene Wasserstoff- und Sauerstoffatom (OH-Gruppe) sich an das Metallzentrum des Komplexes binden.

Diese modifizierte Version des Komplexes stellt die Grundlage für den nächsten Abschnitt in dem Verfahren dar: der “Heizabschnitt”. Wenn die Wasserlösung auf 100 Grad Celsius erhitzt wird, wird das Wasserstoffgas aus dem Komplex freigelassen (eine potenzielle Quelle für sauberen Treibstoff ) und eine weitere OH-Gruppe wird dem Metallzentrum hinzugefügt.

“Aber der interessanteste Abschnitt ist der dritte, der “Lichtabschnitt”,” sagt Milstein. “Wenn wir diesen dritten Komplex bei Zimmertemperatur dem Licht aussetzten, wird nicht nur Sauerstoffgas produziert, sondern der Metallkomplex fällt zurück in seinen Ursprungszustand und läßt sich dann für weitere Reaktionen wieder verwenden.”

Diese Ergebnisse sind deshalb so bemerkenswert, weil die Erzeugung einer Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen durch einen künstlich hergestellten Metallkomplex ein sehr seltenes Ereignis ist und bisher unklar war, wie dies überhaupt geschieht. Auch haben Milstein und sein Team es geschafft, einen bisher unbekannten zugrundeliegenden Mechanismus solcher Verfahren zu identifizieren. Weitere Experimente haben gezeigt, dass in diesem dritten Abschnitt Licht die notwendige Energie bietet, um die beiden OH-Gruppen zusammen zu bringen, die dann Wasserstoffperoxid (H2O2) bilden, dass schnell in Sauerstoff und Wasser auseinander bricht. “Weil Wasserstoffperoxid als ein relativ instabiles Molekül bekannt ist, haben Wissenschaftler diesen Abschnitt stets mißachtet und als implausibel erachtet; aber wir haben das Gegenteil bewiesen,” sagt Milstein. Darüber hinaus hat das Forschungsteam gezeigt, dass die Anbindung zwischen den beiden Sauerstoffatomen in einem einzigen Molekül entsteht – und nicht zwischen den Sauerstoffatomen in separaten Molekülen, wie bisher angenommen – und dass sie von einem Metallzentrum ausgeht.

Die Entdeckung eines effizienten künstlichen Katalysators für die von Sonnenlicht angetriebene Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff ist ein Hauptziel der Erforschung erneuerbarer, sauberer Energie. Bisher hat Milsteins Team einen Mechanismus für die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser vorgeführt, mit Hilfe von Licht und ohne den Einsatz eines chemischen Wirkstoffs. Für ihre nächste Studie planen sie diese Abschnitte miteinander zu verbinden, um ein effektives Katalysatorsystem zu schaffen, das die Erforschung alternativer Energien einen wichtigen Schritt in Richtung ihrer praktischen Anwendung voranbringen soll.

Klimawandel: Wie Bioreaktoren und Algen den Klimawandel aufhalten sollen

Wird es gelingen den Klimawandel aufzuhalten? – WISSEN DER ZUKUNFT berichtet über das Wunderwelt Wissen. Zum Thema Klimawandel zunächst ein einführendes Video:

(idw) Der Klimawandel gilt als eines der größten Probleme des 21. Jahrhunderts. Hauptverantwortlich ist der hohe CO2-Ausstoß, der vor allem durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe – also Öl, Kohle, Gas oder Holz – entsteht. Um den Treibhauseffekt aufzuhalten, versuchen sich Wissenschaftler an unterschiedlichen technischen Entwicklungen. Eine Lösung macht die Natur vor: Grünpflanzen filtern durch Photosynthese das Treibhausgas aus der Luft. Ähnliches passiert in Bioreaktoren, wo Grünalgen, bekannt für ihr schnelles Wachstum, zugeführtes CO2 zu Biomasse umwandeln. Diesen Prozess wollen Physiker der Uni Duisburg-Essen (UDE) industriell nutzen. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Hilmar Franke hat einen faseroptischen Photo-Bioreaktor entwickelt. Das bislang einzigartige System filtert Kohlendioxid aus dem Abgas fossiler Energieerzeugung.

Oder anders ausgedrückt: Die Wissenschaftler haben einen Algenreaktor gebaut, der CO2-Emissionen aus Heizungsanlagen zu Biomasse, sprich Sauerstoff und Algen macht. Der CO2-Vernichter funktioniert so: Auf einem Gebäudedach wird über einen Lichtsammler Tageslicht eingefangen. Dünne hocheffiziente Kabel, so genannte Lichtleitfasern, transportieren das Licht in den Bioreaktor. Hier wird die Algensuppe mit den Emissionen einer Industrieanlage begast. Die Algen verwerten dank des Lichts das CO2 und vermehren sich.

Aus den zwei Effekten – Vernichtung von Treibhausgas und Entstehung von Biomasse – lässt sich trefflich Kapital schlagen, erklärt Prof. Franke: “Stichwort Emissionshandel: Wer durch umweltfreundliche Technologien Kohlendioxid einspart, kann überschüssige Verschmutzungs-Zertifikate verkaufen. Stichwort Biomasse: Algen werden schon jetzt in vielen Industriezweigen verwertet. In unserem Fall ließen sie sich als Biotreibstoff oder für Baustoffe vermarkten.”

Die technische Entwicklung des Algenreaktors ist abgeschlossen. Was den UDE-Forschern noch fehlt, sind interessierte Investoren. Die hoffen sie auf der Hannovermesse zu finden, wo sie im April den Prototypen ihrer Entwicklung, ein gläsernes Modell, vorstellen. “Wir denken da an die Biogastechnologie oder an Betreiber von Klär- oder Heizanlagen”, so Franke und rechnet vor: “Ein 50qm großes Dach würde ausreichen, eine Tonne CO2-Emissionen im Jahr umzusetzen. Ein Hallendach von einem Hektar könnte in Deutschland rund 200 Tonnen Treibhausgas vernichten.”

Und auch das spricht aus Sicht des Physikers für das System made in Duisburg-Essen: “Ein Algenreaktor mit einem Hektar Lichtsammelfläche kann mehr als 200 Mal mehr CO2 umsetzen als ein Buchen- oder Eichenwald gleicher Fläche. Auch die Ausbeute gegenüber einem Hektar Mais ist bis zu 20 Mal höher.”

Für Privathaushalte wird der Bioreaktor erst in zweiter Generation geeignet sein. Ein CO2-Filter für kleine Objekte, zum Beispiel für ein Einfamilienhaus, stelle ganz andere Anforderungen an die Technik, sagt Franke. “Die Idee, dass der Schornsteinfeger nicht den Ruß, sondern Algenpulver aus dem Kamin kehrt, ist allerdings sehr reizvoll.”