Alles Wissenswerte über künstliche Photosynthese

Photosynthese ist ein Verfahren, mit dem Pflanzen aus Wasser, Kohlenstoffdioxid und Sonnenlicht energiereiche Stoffe aufbauen und als Abfallprodukt Sauerstoff ausscheiden. Forscher aus aller Welt arbeiten seit Jahrzehnten daran, diesen Prozess maschinell ablaufen zu lassen – also eine Art künstliche Photosynthese zu erschaffen.

Bisher ist es ihnen nur im Labor gelungen, da der Kostenaufwand für die Massenproduktion noch zu hoch ist. Doch sie kommen dem Ziel der Alltagstauglichkeit Jahr für Jahr näher.

In diesem Artikel möchte ich Dir alles Wissenswerte zur künstlichen Photosynthese näher bringen:

  • Wie funktioniert Photosynthese überhaupt?
  • Welche technischen Ansätze stecken hinter der künstlichen Photosynthese?
  • Wo ist der Unterschied zu Solarzellen?
  • Kann man überhaupt von künstlicher Photosynthese sprechen?
  • Wie ist der aktuelle Stand der Entwicklung?

Künstliche Photosynthese

Wie funktioniert Photosynthese überhaupt?

Einfach erklärt: Was ist Photosynthese?

Das Wort Photosynthese kommt aus dem altgriechischen, wobei „Photo“ für Licht und „Synthese“ für Zusammensetzung steht. Grundsätzlich werden bei der Photosynthese mit Hilfe von Sonnenlicht energiereiche Verbindungen aus energiearmen Stoffen erzeugt.

Photosynthese wird von Pflanzen, Algen und einigen Bakterien betrieben. Sie findet in Chloroplasten innerhalb der Zelle statt, die sich überwiegend in den Blättern, aber auch in den Stängeln befinden. Chloroplasten lassen die Pflanzen grün erscheinen. Lichtabsorbierende Pigmente wandeln dort Sonnenlicht in chemische Energie in Form von Kohlenhydraten um. Die Ausgangsstoffe sind dabei vor allem Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasser (H2O), Nitrat und Sulfat. Als Abfallprodukt entsteht Sauerstoff, was jedoch gut für uns ist, da Sauerstoff lebensnotwendig für die Atmung ist.

Welche Schritte sind bei der Photosynthese wichtig?

Grundsätzlich lässt sich die Photosynthese in 3 wichtige Schritte einteilen:

  1. Farbstoffe, wie zum Beispiel Chlorophyll oder Carotinoide, werden verwendet, um die elektromagnetische Energie eines gewissen Lichtspektrums zu absorbieren.
  2. Energiereiche Elektronen werden als elektromagnetische Energie in chemische Energie umgewandelt und übertragen.
  3. Chemische Energie wird genutzt, um energiereiche Verbindungen aufzubauen.

Die ersten beiden Schritte der Photosynthese werden allgemein auch als Lichtreaktion bezeichnet, wohingegen es sich beim dritten Schritt um die sogenannte Dunkelreaktion handelt.

Warum gäbe es ohne Photosynthese kein Leben auf Erden?

Der chemische Prozess der Photosynthese kann als einer der großen Motoren des Lebens angesehen werden, da ohne diese kein Leben auf Erden möglich wäre. Dank Photosynthese haben wir die Luft zum Atmen und den Salat auf dem Tisch. Doch auch Fleisch gäbe es natürlich nicht, wenn es keine Photosynthese gäbe. Denn auch Hühner und Kühe müssen sich von etwas ernähren – nämlich von Pflanzen.

Das gesamte Ökosystem der Erde basiert also auf Photosynthese und somit auf der Energie der Sonne. Ohne photosynthetisch aktive Organismen wäre ein Leben wie wir es kennen auf Erden nicht möglich.

Welcher theoretische Hintergrund steckt hinter der künstlichen Photosynthese?

Welche Technik steht hinter “künstlichen Blättern”?

Das “künstliche Blatt” stellt man sich am besten als kleines Metallplättchen vor, welches sich in einem Behälter mit Wasser befindet. Natürlich steht die gesamte Konstruktion im Sonnenlicht, da die Energie der Sonne die treibende Kraft ist. Auf der Oberfläche des künstlichen Blattes befinden sich Solarzellen, die das Sonnenlicht aufnehmen und in Strom umwandeln. Die Solarzelle ist dabei mit Katalysatoren beschichtet, die die Reaktion erst ermöglichen.

Die Kraft des entstandenen Stroms kann nun genutzt werden, damit das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten werden kann. Der entstandene Wasserstoff kann nun als Energiequelle genutzt werden. Wasserstoff fungiert dabei als sogenanntes “solar fuel”, also als Treibstoff, der durch Sonnenlicht hergestellt wird.

Es gibt jedoch auch andere Ansätze: Als “Hintertür” für die Produktion von Wasserstoff können eventuell auch Kleinstlebewesen wie Bakterien oder Algen helfen: Es wurden bereits einige Arten entdeckt, die in ihrem Stoffwechselkreislauf Wasserstoff als Abfallprodukt ausscheiden – ähnlich wie die Pflanzen es mit Sauerstoff machen oder wir Menschen mit Kohlenstoffdioxid.

Es gibt also nicht die eine Lösung zur Bewerkstelligung von künstlicher Photosynthese.

Wo ist der Unterschied zu einer normalen Solarzelle?

Auf den ersten Blick sehen sich die künstliche Photosynthese und die Stromerzeugung mit Hilfe einer Solarzelle ziemlich ähnlich. Jedoch entsteht in einer Solarzelle, wenn sie vom Sonnenlicht getroffen wird direkter Strom, der sofort genutzt werden muss.

Bei der künstlichen Photosynthese hingegen soll ein speicherbarer chemischer Energieträger entstehen. Dies kann zum Beispiel in Form von Wasserstoff, Ethanol oder Methan der Fall sein. Dieser kann dann weiterverkauft werden, ohne dass er direkt genutzt werden muss.

Wieso gibt es noch keine künstliche Photosynthese?

In der Theorie sind künstliche Blätter zwar durchaus technisch umsetzbar, allerdings sind die nötigen Materialien momentan noch viel zu teuer oder aber gar nicht in ausreichender Menge auf unserem Planeten verfügbar. Zum Beispiel kann auch heute schon Wasserstoff künstlich hergestellt werden, allerdings stehen die Produktionskosten in keinem vernünftigen Verhältnis zum Nutzen.

Die Technik ist verfügbar, allerdings müssen noch einige Schlupflöcher gefunden werden, mit denen diese in Massenproduktion gehen kann. Forscher haben sich allerdings zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2050 alle fossilen Brennstoffe wie zum Beispiel Öl, durch “solar fuels” zu ersetzen. Dies wird auch nötig sein, da unsere Vorräte an fossilen Brennstoffen schon fast erschöpft sind.

Kritik am Begriff „künstliche Photosynthese“

Bei der natürlichen Photosynthese sind dutzende Stoffe und Zwischenschritte enthalten, wohingegen bei der künstlichen Photosynthese lediglich Wasser aufgespalten wird, um an Wasserstoff zu gelangen. Es stellt sich also die Frage, ob man überhaupt von künstlicher Photosynthese sprechen kann.

Die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mit Hilfe von Licht wird im als Photolyse bezeichnet. Es wird kein Kohlenstoffdioxid verbraucht, es werden auch keine Kohlenhydrate aufgebaut.

Photolyse

Ist die Kritik am Begriff also berechtigt?

Die Kritik ist auf den ersten Blick berechtigt, allerdings ist der Begriff kein Schwachsinn, wenn man genauer hinschaut: Man muss nämlich die Zwischenschritte bedenken, die während der natürlichen Photosynthese ablaufen. Die Natur hat dieses komplizierte Konstrukt nicht erschaffen, damit wir Menschen es in eine einfache Formel mit ein paar Zahlen zwängen können.

Während der natürlichen Photosynthese in Pflanzen läuft die Photolyse als Zwischenschritt ab, der von extremer Wichtigkeit für die gesamte Reaktion ist, da diese ohne ihn nicht funktionieren würde. Denn der entstehende Wasserstoff wird verwendet, um den Kohlenstoff aus dem Kohlenstoffdioxid „herauszuziehen“ und daraus energiereiche Verbindungen herzustellen. Betrachtet man nur die Photosynthese-Reaktionsgleichung, die in der Schule gelehrt wird, werden die Zwischenschritte nicht deutlich – doch sie sind da. Die künstliche Photosynthese ist also im Prinzip nur ein Zwischenschritt der natürlichen Photosynthese.

Meiner Meinung nach ist der Begriff künstliche Photosynthese nur entstanden, um Aufmerksamkeit zu erzeugen und alles ein bisschen zu vereinfachen. Für den Nicht-Naturwissenschaftler entsteht bei der natürlichen Photosynthese nämlich Energie mit Hilfe von Sonnenlicht. So ist es bei der künstlichen Photosynthese auch.

Wie ist der aktuelle Stand der Entwicklung?

Eine funktionierende, massentaugliche Methode für die künstliche Photosynthese wurde bis heute noch nicht entwickelt. Es gibt allerdings verschiedene Ansätze:

Nanokapseln als Photosynthese-Maschinerie (2009)

Forscher der Universität Würzburg haben winzige Kapseln entwickelt, in denen sich abertausende von gleichartigen, photoaktiven Molekülen befinden. Diese Moleküle nehmen das Sonnenlicht auf und geben es in Form von Fluoreszenzlicht wieder ab bzw. übertragen das Fluoreszenzlicht auf andere Moleküle. Dies erhöht den energetischen Zustand der anderen Moleküle. So funktioniert auch die natürliche Photosynthese, bei der in genau diesem Schritt Biomasse in Form von Kohlenhydraten aufgebaut wird.

Quelle: Zhang, X., Rehm, S., Safont-Sempere, M. M. & Würthner, F. (2009). Vesicular perylene dye nanocapsules as supramolecular fluorescent pH sensor systems. – Nature Chemistry 1, 623 – 629; doi:10.1038/nchem.368

Künstliche Photosynthese der Firma Sun Catalytix (2010)

2010 hat Daniel Nocera vom MIT (Massachusetts Institute of Technology) es geschafft, mit seiner Entdeckung in aller Munde zu gelangen. Das Verfahren verläuft dabei wie folgt:

Wasser wird mit Hilfe von Sonnenlicht und einem Katalysator auf einem Metallplättchen in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der entstandene Wasserstoff wird dann mit einer Brennstoffzelle in puren, elektrischen Strom umgewandelt.

Das gute an dieser Lösung: Die Produktion von Wasserstoff läuft den ganzen Tag über. Es wird Wasserstoff gespeichert und kann jederzeit abgerufen werden. Braucht man beispielsweise nachts Strom, dann kann der gespeicherte Wasserstoff aus der künstlichen Photosynthese mit Hilfe der Brennstoffzelle jederzeit genutzt werden. Würde man eine normale Solarzelle benutzen, wäre der Strom nur tagsüber verfügbar.

Das Verfahren der Firma Sun Catalytix wurde damals von der US-Regierung mit mehreren Millionen Dollar subventioniert. Wer es in Aktion sehen möchte, dem kann ich dieses YouTube-Video ans Herz legen, in dem Daniel Nocera selbst spricht.

Aktueller Stand (17. Juli 2013): Auf der offiziellen Website von Sun Catalytix wurden seit 2011 keine News heraus gegeben. Allerdings hat Daniel Nocera letztes Jahr dem Spiegel verraten, dass er schon 2011 erste Prototypen auf indischen Dächern befestigen wollte. Die Effizienz: Circa 4 Liter Wasser sollten den Bedarf einer ganzen Familie decken. Passiert ist bislang leider nichts.

Künstliche Photosynthese 2.0 – Was wäre wenn…

Nehmen wir einmal an, dass die Firma Sun Catalytix ihre Idee erfolgreich umgesetzt hätten und die  Technik der künstlichen Photosynthese überall verfügbar wäre. Wie sähe die Welt heute aus?

Welche neuen Probleme könnten entstehen?

Die künstliche Photosynthese würde nur funktionieren, wenn ausreichend Wasser zur Verfügung stünde. Das führt zu einem Problem: In vielen Teilen der Welt gibt es nicht einmal genug Trinkwasser. Was würde den Menschen dort Strom bringen, wenn sie dafür verdursten müssten? Auch in der Wüste wäre es relativ problematisch, da dort Wasser bekanntlich Mangelware ist.

Des Weiteren darf man nicht davon ausgehen, dass überall auf der Welt jeden Tag die Sonne scheint. Zum Beispiel am Nordpol oder teilweise in Skandinavien scheint für ein halbes Jahr permanent die Sonne, wohingegen sie sich für den Rest des Jahres nicht zeigt und die Länder im Dunklen liegen. Hier wäre das Vorkommen von genügend Wasser zwar kein Problem, dafür aber die Präsenz des Sonnenlichts.

Was wäre der nächste Schritt in der Entwicklung?

Nachdem die Photolyse erfolgreich von der Natur abgekupfert wurde, sollte man sich Gedanken über die Erweiterung des Systems machen. Wie jeder weiß, ist auch die steigende Menge an Kohlenstoffdioxid gefährlich für den Erhalt der Menschheit und des Klimas. Sinnvoll wäre es daher, wenn man bei der Energieproduktion zusätzlich noch Kohlenstoffdioxid mit einbeziehen könnte, welches dabei verarbeitet werden würde.

Man könnte über den Tellerrand der reinen Stromerzeugung hinwegsehen und versuchen, die künstliche Photosynthese weiter an die natürliche Version anzugleichen.

Fazit: Künstliche Photosynthese

Ich hoffe, dass dir der Einblick in die künstliche Photosynthese gefallen hat und alle Fragen geklärt wurden. Sollten doch noch Fragen oder Anregungen, vielleicht auch Kritik vorhanden sein, dann würde ich mich über Kommentare freuen.


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