Replikation der Photosynthese
Forscher außerhalb der Biologie unterliegen nicht den gleichen Einschränkungen wie Mikrobiologen, die Brennstoffe herstellen, oder gar ein Blatt. So hat das US-Energieministerium seine ARPA-e Entscheidung abgesichert, indem es auch in das Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) am California Institute of Technology investiert hat. Dort soll ein System entwickelt werden, das ebenso wie die Photosynthese in Pflanzen funktioniert, um Treibstoff zu produzieren, sei es Kohlenwasserstoffe oder nur Wasserstoff. „Chemische Kraftstoffe wären der Wendepunkt, wenn man sie direkt aus Sonnenlicht effizient und kostengünstig herstellen könnte“, sagt der Chemiker Nathan Lewis, Direktor von JCAP.
Künstliche Systeme können Energie eher in Form von elektrischem Strom bewegen als relativ grobe Moleküle, auf die Pflanzen bei der Photosynthese angewiesen sind. Tatsächlich kann ein künstliches System, das mit Hilfe von Photovoltaikmodulen Strom erzeugt und Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet, etwa 10 bis 20 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in das Wasserstoffgas umwandeln, das eine Wasserstoff-Brennstoffzelle antreiben kann. Die effizientesten photosynthetischen Pflanzen – Algen – können nur etwa 3 bis 6 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in Pflanzennahrung umwandeln.
Lewis und seine Kollegen müssen also künstliche Lichtabsorber, Molekülmacher und sogar Membranen bauen, um die verschiedenen Produkte der künstlichen Photosynthese zu trennen, so wie es Pflanzen tun. Alle diese Komponenten existieren, funktionieren aber nicht unbedingt als System. Innerhalb der nächsten fünf Jahre will JCAP beweisen, dass ein solches System entwickelt werden kann, und als Beleg etwas Treibstoff produzieren.
Wasserstoffwirtschaft
Ein solches System ist seit langem unter anderem Namen bekannt: Wasserstoffwirtschaft – dass Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle rekombiniert werden kann, um den Strom für ein Elektroauto oder ein Haus zu erzeugen. Das Problem der Wasserstoffwirtschaft war schon immer das zweite Wort – die besten Wasserstoff-Brennstoffzellen sind auf teures Platin angewiesen, und die Wasserspaltung ist auf teure Maschinen angewiesen. Die teuersten Autos auf dem Planeten sind wahrscheinlich die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Testfahrzeuge von GM und Honda.
Aber ein Unternehmen namens Sun Catalytix versucht, zumindest die Wasserspaltung billig zu machen und damit eine kostengünstige Quelle für den Wasserstoff für Brennstoffzellen zu schaffen oder Kohlenwasserstoffe mit CO2 herzustellen. Wenn man das Metall Kobalt und das Molekül Phosphat als Katalysator in Wasser taucht und dann Strom durchleitet – vorzugsweise von der Sonne über eine Photovoltaik-Zelle – kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Der Chemiker Dan Nocera vom Massachusetts Institute of Technology [siehe solarify.eu/kunstliches-blatt-kommt-doch], dessen Team den neuen Katalysator entwickelt hat – eine Erfindung, die fälschlicherweise als „künstliches Blatt“ bezeichnet wird – sagt voraus, dass aus einer Trinkwasserflasche in weniger als vier Stunden Sonnenlicht genügend Energie für den Betrieb eines Hauses gewonnen werden könnte.
Wenn Wasserstoff billig wird, werden Programme für Elektrokraftstoffe plötzlich sinnvoller. „Wenn man etwas hat, das man ins Wasser fallen lassen kann und Wasserstoff entwickelt, ist das ziemlich cool“, sagt Toone, weshalb ARPA-e auch die Arbeit von Sun Catalytix finanziert. „Wir haben die Daten gesehen und es funktioniert tatsächlich.“
Folgt: Kohlenwasserstoffbildung