Faszination Technik Nanomaterialien, die die Photosynthese nachahmen

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie auf Grundlage des Prinzips der Photosynthese aus Sonnenenergie elektrische und chemische Energie gewonnen werden kann.

Mithilfe der Photosynthese gewinnen Pflanzen Energie aus dem Sonnenlicht. Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben dieses Prinzip als Grundlage genommen, um neue nachhaltige Verfahren zu entwickeln, mit denen in Zukunft Synthesegas für die chemische Großindustrie hergestellt und Batterien aufgeladen werden könnten.

Synthesegas mit chemischer Energie aus dem Sonnenlicht herstellen

Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, ist ein wichtiges Zwischenprodukt für die Herstellung vieler chemischer Grundstoffe wie Ammoniak, Methanol und synthetischer Kohlenwasserstoffkraftstoffe. Es wird jedoch fast ausschließlich mithilfe fossiler Rohstoffe hergestellt. Das Forschungsteam um Prof. Roland Fischer vom Lehrstuhl für Anorganische und Metallorganische Chemie der TUM will das ändern. Inspiriert von der Photosynthese haben die Forschenden ein Nanomaterial entwickelt, dass die Eigenschaften der an der Photosynthese beteiligen Enzyme nachahmt. Das „Nanozym“ genannte Material soll aus Kohlendioxid, Wasser und Licht Synthesegas produzieren können.

Wie die TUM mitteilt, übernimmt bei dem Nanomaterial ein Molekül die Aufgabe einer Energie-Antenne analog zu einem Chlorophyll-Molekül der Pflanzen. Dabei werde Licht aufgenommen und Elektronen zu einem Reaktionszentrum, dem Katalysator, weitergeleitet. Das Innovative an dem System der Forschenden: Es gibt gleich zwei Reaktionszentren, die an die Antenne gekoppelt sind. In einem wird Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid umgewandelt und im anderen Wasserstoff aus Wasser gewonnen. Die große Herausforderung bei der Konstruktion war, dass in dem System die Antenne, der Weiterleitungsmechanismus für die Elektronen und die beiden Katalysatoren so angeordnet werden, dass eine möglichst hohe Lichtausbeute erzeugt wird.

Und das ist den Forschenden mit einer Energieausbeute von 36 Prozent gelungen. Dass heißt, bis zu jedes dritte Photon, also Lichtteilchen, wird in chemische Energie umgesetzt. Bisherige Systeme waren hier höchstens im Bereich von jedem zehnten Teilchen, heißt es. Eine technische Umsetzung könnte industrielle chemische Prozesse damit nachhaltiger machen.

Elektrische Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen

In einem anderen Projekt arbeiten die Forschenden an einem weiteren Material, das elektrische Energie aus der Sonne nutzt – in diesem Fall aber als elektrische Energie speichert. Als mögliche Anwendung werden Batterien gesehen, die durch Sonnenlicht aufgeladen werden, ohne den Umweg über die Steckdose.

Bei der Entwicklung dieser sogenannten Fotokondensatoren verwenden die Forschenden ähnliche Bausteine wie bei dem Nanozym. Auch hier absorbiert das Material selbst Photonen aus dem eingestrahlten Licht. Doch statt im Anschluss als Katalysator für eine chemische Reaktion zu dienen, ist der Energie-Empfänger so eng in die Struktur eingebunden, dass er in diesem Zustand verbleibt und so eine langfristige Speicherung der Elektronen ermöglicht wird. Die Machbarkeit des Systems haben die Forschenden im Labor bewiesen.

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