Teil-künstliche Photosynthese kommt voran

Forscher entwickeln neue Methode, um Sonnenlicht in Treibstoff umzuwandeln

Die Suche nach neuen Wegen zur Nutzung der Sonnenenergie ist dank neuer Forschungen auf dem Gebiet der teilkünstlichen Photosynthese einen Schritt vorangekommen. Die Kombination von Stärken katalytischer Bioprozessanlagen mit denen synthetischer Materialien kann zu einer effizienteren und dauerhafteren solarchemischen Umwandlung führen. Katarzyna Sokól aus Cambridge, Leitautorin eines Beitrags beschreibt einer Presseerklärung zufolge diesen Vorgang in Nature Energy unter dem Titel “Bias-free photoelectrochemical water splitting with photosystem II on a dye-sensitized photoanode wired to hydrogenase” (Vorspannungsfreie photoelektrochemische Wasserspaltung mit Photosystem II auf einer farbstoffsensibilisierten mit Hydrogenase verkabelten Photoanode).

Die natürliche Photosynthese ist der Prozess, der die Sonnenenergie umwandelt und in den chemischen Verbindungen der organischen Moleküle speichert. Obwohl die gesamte Produktionsmenge von Biomasse beeindruckend ist – mit mehr als 100 Milliarden Tonnen in Biomasse umgewandeltem Kohlenstoff pro Jahr – liegt der solare Umwandlungswirkungsgrad unter 1%, da Pflanzen in der Regel nicht das gesamte Sonnenlicht absorbieren und ihre Stoffwechselwege gering sind.

Künstliche Photosynthese gibt es seit Jahrzehnten, aber sie wird noch nicht erfolgreich zur Erzeugung Erneuerbarer Energien eingesetzt, da sie meist auf teure und giftige Katalysatoren angewiesen ist. Daher kann sie noch nicht genutzt werden, um die Ergebnisse auf ein industrielles Niveau zu bringen

Die Forschungsarbeiten in Cambridge sind Teil des aufstrebenden Bereichs der semi-artifiziellen Photosynthese, die darauf abzielt, die Grenzen der vollkünstlichen Photosynthese zu überwinden, indem sie Enzyme einsetzt, um die gewünschte Reaktion zu erzeugen. Sokól,   Doktorandin am St John’s College der Universität von Cambridge, und das Forscherteam verbesserten nicht nur die Menge der produzierten und gespeicherten Energie, sondern es gelang ihnen auch, einen seit Jahrtausenden in den Algen ruhenden Prozess zu reaktivieren. Sokól: “Hydrogenase ist ein in Algen vorhandenes Enzym, das in der Lage ist, Protonen in Wasserstoff zu verwandeln. Während der Evolution wurde dieser Prozess deaktiviert, weil er für das Überleben nicht notwendig war, aber wir konnten die Inaktivität erfolgreich umgehen, und die gewünschte Reaktion erreichen – die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.”

Sokól hofft, dass die Ergebnisse die Entwicklung neuer innovativer Modellsysteme für die Solarenergieumwandlung ermöglichen werden und fügte hinzu: “Es wird spannend sein, dass wir selektiv die nötigen Prozesse auswählen und die gewünschte Reaktion erzielen können, die von Natur aus unzugänglich ist. Dies könnte eine großartige Plattform für die Entwicklung von Solartechnologien sein. Der Ansatz könnte genutzt werden, um andere Reaktionen miteinander zu koppeln, um zu sehen, was getan werden kann, aus diesen Reaktionen zu lernen und dann synthetische, robustere Teile der Solarenergietechnologie zu bauen.” Dieses Modell ist das erste, das Hydrogenase und Photosystem II erfolgreich einsetzt, um eine semi-künstliche Photosynthese zu erzeugen, die rein durch Sonnenenergie angetrieben wird.

Erwin Reisner, Leiter des Reisner Labors, Fellow des St John’s College der University of Cambridge und einer der Co-Autoren des Papiers, bezeichnete die Forschung als “Meilenstein”: “Diese Arbeit überwindet viele schwierige Herausforderungen, die mit der Integration biologischer und organischer Komponenten in anorganische Materialien für die Montage von semiartifiziellen Geräten verbunden sind, und eröffnet einen Werkzeugkasten für die Entwicklung zukünftiger Systeme zur Umwandlung von Solarenergie.”

Folgt: Künstliche Systeme mit besserer Leistung als natürliche?