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Zeitfragen / Archiv | Beitrag vom 28.02.2019

Forschungsprojekt zur künstlichen FotosyntheseMit der Kraft der Sonne

Von Annegret Faber

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Eine Pflanze in der Natur (imago/View Stock)
Die Suche nach Materialien, mit denen künstliche Blätter so funktionieren wie echte Blätter, das sei der Dreh- und Angelpunkt bei der künstlichen Fotosynthese. (imago/View Stock)

Den Prozess der Fotosynthese künstlich nachstellen – und das effizient. Wenn das gelingt, könnte man mit Sonnen-Energie in großen Mengen Wasserstoff gewinnen. Forscher aus Deutschland und den USA sind diesem Traum nähergekommen.

Die natürliche Fotosynthese haben wir bis heute nicht komplett verstanden, sagt der Physiker Prof. Thomas Hannappel von der Technischen Universität Ilmenau – und hält ein Blatt gegen das Sonnenlicht.

"Hier passiert die Wasserspaltung in dem Blatt. Das Wasser kommt durch die Pflanzen, bzw. der Baum holt sich das Wasser ja aus der Erde, geht in die Blätter. Dort, innerhalb des Blattes findet dann die Fotosynthese statt."

Genau diesen Prozess will Thomas Hannappel nachstellen: Mit künstlichen Blättern, völlig autark, Wasserstoff produzieren. So wie dieses, das er in der Hand hält.

"Man spaltet sozusagen Wasser in seine zwei Bestandteile, Wasserstoff und Sauerstoff und das haben wir jetzt sehr erfolgreich gemacht."

Erfolgreich heißt, die künstlichen Blätter haben 100 Stunden durchgehalten und Wasserstoff produziert. Ein Durchbruch, sagt Thomas Hannappel. Auch wenn es nur 100 Stunden waren. Aber Fotosynthese sei nun mal keine einfache Sache und die künstlichen Zellen, oder auch Blätter, sind hauchdünn, dünner als ein menschliches Haar. Zugleich sind sie ständig mit Wasser umgeben und beginnen irgendwann zu korrodieren. Dieses Problem muss noch gelöst werden. Die Suche nach Materialien, mit denen die künstlichen Blätter am besten funktionieren, ist daher der Dreh- und Angelpunkt bei der künstlichen Fotosynthese.

Nahaufnahme eines Laubblattes. (imago/Panthermedia)Noch immer hat die Wissenschaft nicht bis ins Detail verstanden, wie genau die Fotosynthese in einem Blatt funktioniert. (imago/Panthermedia)
"Das ist so ein kleiner Aufbau, wo wir verschiedene Materialien testen, auf ihre Effizienz für die solare Wasserstoffspaltung."

"Ein Spaziergang durchs ganze Periodensystem"

Solare Wasserspaltung ist ein anderer Begriff für künstliche Fotosynthese, erklärt der Elektrochemiker Prof. Andreas Bund. Er hat im Nachbargebäude sein Büro und schließt das Labor auf, in dem die Materialtests laufen.

Die wissenschaftliche Mitarbeiterin Lara Eggert überwacht und dokumentiert die Experimente seit 2015, erklärt Andreas Bund, während er auf sie wartet. Auf die Frage, welche Materialien sich bisher für die künstliche Fotosynthese als geeignet erwiesen haben, zeigt er auf eine Skizze so einer künstliche Elektrochemischen Zelle. Sie besteht aus Schichten mehrerer Stoffe, die mit verschiedenen Farben gekennzeichnet sind.

"Oh, ja – das ist ein Spaziergang durchs ganze Periodensystem. Hier haben wir Titandioxid, hier haben wir Aluminium-Indiumphosphat, Aluminium-Indiumphosphid, Galliumarsenid und Ruthenium-Oxid. Das sind Materialien, die zum Teil teuer sind, aber für diese Anwendung sehr effektiv."

Eine deutsch-amerikanische Erfolgsgeschichte

Die Liste ist das Ergebnis jahrelanger Forschung – und, so Andreas Bund, weltweit einmalig. Möglich gewesen sei dies nur durch die Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern aus Deutschland und den USA.

"So, das ist unsere Doktorandin. Sie promoviert auf diesem Thema und hat auch schon was vorbereitet."

Lara Eggert biegt ins Labor ab. Ein kühler Raum, darin ein Tisch mit Experimentieraufbau. Ein Sonnenlicht-Simulator, Glaskolben und eine Reihe anderer Gerätschaften.

"Wir haben langsam angefangen, haben das alles langsam aufgebaut und haben erst mit LEDs das Licht auf die Halbleiter eingebracht. Jetzt haben wir den Sonnensimulator, wir haben die Zellen selbst konstruiert. Das ist ein stetiges Wachstum der Gruppe und des Aufbaus hier."

Die elektrochemischen Zellen bestehen wie Solarzellen aus Halbleitern. Allerdings liefern sie keine Energie, sondern Wasserstoff.

"Genau, wir sehen hier an der Halbleiterelektrode, an dem Galliumphosphid, dass dort an der Stelle der Wasserstoff produziert wird."

Kleine Blasen steigen da empor – der Wasserstoff. Die künstliche Fotosynthese funktioniert wirklich. Aber serienreif ist der Vorgang noch lange nicht. 100 Stunden Durchhaltevermögen sei zwar ein großer Erfolg. Aber letztlich müssen die Zellen mehrere zehntausend Stunden zuverlässig arbeiten, ohne Rost anzusetzen. Auch der Wirkungsgrad von 19 Prozent sei zwar ein Rekord, aber noch steigerbar.

Hannappel: "Da gab es 17 Jahre lang praktisch ein Ergebnis, was bis 2014 bestand, und da sind wir mit jenem neuen Rekord angekommen und wir konnten die suggestive im Jahr 2014 erstmals auf 14 Prozent steigern und jetzt sogar auf 19 Prozent und das ist sicher schon eindrucksvoll. Wir wollen natürlich mit möglichst niedrigen Kosten möglichst hohe Werte an Wasserstofferzeugung erreichen."

Künstliche Blätter auf dem Garagendach

Das Gas wird in Behältern gespeichert und kann überall genutzt werden. Als Treibstoff für Autos, LKW, Busse oder Züge. Oder für Blockheizkraftwerke, die Wärme und Energie erzeugen. Auch in Methan kann Wasserstoff gewandelt werden. Das könnte man in Erdgasnetze einspeisen. Thomas Hannappel stellt sich die künstlichen Blätter auf großen Flächen vor. Da, wo heute Fotovoltaik-Anlagen stehen. Aber es geht auch dezentral, bestätigt Elektrochemiker Andreas Bund. Zum Beispiel auf einem Garagendach. Darunter steht ein Behälter, der den Wasserstoff auffängt – und der dem Garagenbesitzer zugleich als Tankstelle dient.

Bund: "Ja, wäre denkbar. Man hat dann Drucktanks, die, wenn die Sonne scheint, gefüllt werden, mit dem Wasserstoff. Und wenn die Sonne nicht scheint, wenn er Elektrizität benötigt, verstromt er den Wasserstroff in einer Brennstoffzelle zu elektrischen Strom, bzw., wenn er ein Wasserstoffauto hat, betankt er aus diesem Drucktank sein Auto. Das wäre eine typische, dezentrale Anwendung."

In zehn Jahren, schätzt Thomas Hannappel, könnten solche Anlagen serienreif sein. Der Traum von der künstlichen Fotosynthese wäre in Erfüllung gegangen.

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