Solare Brennstoffe: Saubere Energieträger aus Wasser und Sonnenlicht in Sicht
Viele Probleme der Energieversorgung könnten sich künftig nach dem Vorbild der Natur lösen lassen: In der Photosynthese erzeugen Algen und einige Bakterienarten mit Solarenergie des Sonnenlichts Zucker und andere energiereiche Substanzen. Ein Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr trägt nun dazu bei, diesen Prozess technisch nachzuahmen.
Die Wissenschaftler haben die genaue Struktur des Mangan-Kalzium-Komplexes in einem entscheidenden Schritt der Reaktion erforscht, bei der ein Bakterium im Rahmen der Photosynthese mithilfe der Sonnenenergie Wasser spaltet und Sauerstoff erzeugt. Dies führt zu einem Vorschlag, wie molekularer Sauerstoff O2 an diesem Metallkomplex im Detail entsteht. Mit ihren Einsichten in die Photosynthese liefern die Wissenschaftler eine Blaupause für künstliche Systeme, welche die Energie des Sonnenlichts in chemischen Energieträgern speichern könnten.
Seit mehr als drei Milliarden Jahren nutzt die Natur das Sonnenlicht als primäre Energiequelle für die Photosynthese. Pflanzen, aber auch Algen und Cyanobakterien (Blaualgen) spalten dabei Wasser und stellen aus CO2 energiereiche chemische Verbindungen her – Kohlenhydrate als solarer Brennstoff in der lebenden Zelle.
Der grundlegende Ablauf der Photosynthese ist zwar schon seit langem bekannt, doch Forscher des Mülheimer Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion und des Kommissariats für Atomenergie und alternative Energien (Commissariat à l’Énergie Atomique et aux l’énergies alternatives – CEA) im französischen Saclay haben nun wichtige Details der lichtinduzierten Wasserspaltung aufgeklärt. Sie legten damit das Fundament, um im Rahmen der künstlichen Photosynthese umweltfreundlich kostengünstige Brennstoffe zu erzeugen und uns von den fossilen Energieträgern Erdöl, Kohle, Erdgas und Atom unabhängig zu machen.
Wasserspaltender Katalysator
Die lichtinduzierte katalytische Wasserspaltung läuft an einem Metallkomplex ab, der in ein großes Membranprotein (Photosystem II – siehe auch: solarify.eu/spinat-energielieferant-der-zukunft) eingebettet ist. Dieser Komplex setzt sich aus vier Mangan-Atomen (Mn) und einem Kalzium-Atom (Ca) zusammen, die durch ein Netzwerk von Sauerstoffbrücken verbunden sind (siehe Abbildung). Dieser wasseroxidierende, bzw. sauerstoffentwickelnde Komplex durchläuft einen komplizierten Zyklus, der Protonen und Elektronen, also letztlich Wasserstoff und molekularen Sauerstoff freisetzt.
In einem Forschungsartikel in Science präsentierte das deutsch-französische Forscherteam die Struktur des Komplexes aus Mangan und Kalzium direkt vor der Sauerstoffbildung. Dieser Einblick in einen Schlüsselschritt der pflanzlichen Photosynthese ist von großer Bedeutung, um ihren Mechanismus der Photosynthese genau zu verstehen und um nach ihrem Vorbild künstliche Systeme zur lichtinduzierten Wasserspaltung zu entwickeln.
Die Arbeit ist das Ergebnis einer engen Kooperation zwischen der biophysikalischen und der theoretischen Abteilung des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion unter der Leitung von Wolfgang Lubitz und Frank Neese. In diesen Abteilungen haben Nicholas Cox und Dimitrios Pantazis ein interdisziplinäres Team zusammengestellt, das die molekularen Details der Wasserspaltung in der Natur verstehen möchte.