Effizienter als die Natur: Forschern gelingt künstliche Photosynthese

14.10.2014 - Österreich

Photosynthese ist der wichtigste chemische Prozess auf der Erde – sie ermöglicht es, die Energie der Sonne direkt zu speichern. Bisher waren nur Pflanzen und einige andere Organismen dazu in der Lage – und seit Neuestem ForscherInnen der Johannes Kepler Universität (JKU) Linz. Einem Forscherteam um Prof. Günther Knör (Vorstand des Instituts für Anorganische Chemie) gelang weltweit erstmals ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur Treibstoffgewinnung und CO2-Fixierung durch künstliche Photosynthese. Vom Wissenschafts-Team um Prof. Knör, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie und des Photochemie-Zentrums der JKU, konnte gezeigt werden, dass alle für die Umwandlung von Sonnenlicht benötigten Funktionen der grünen Blätter durch eine Kombination aus künstlich hergestellten Farbstoff-Molekülen und Katalysatoren ersetzt werden können. „Dabei wird, genau wie in der Pflanze, zunächst der Energie-Speicherstoff NAD(P)H gebildet“, so Dr. Kerstin Oppelt. Noch nie zuvor konnte dieser Stoff unter Reaktionsbedingungen wie in der Natur durch Belichtung von künstlichen Substanzen erhalten werden.

Entscheidender Durchbruch

Die genauen Auswirkungen der erzielten Resultate sind derzeit noch nicht absehbar. NAD(P)H kann jedenfalls ohne weitere Energiezufuhr zum Aufbau anderer organischer Speicherstoffe (beispielsweise von Kohlenhydraten wie Zucker oder Stärke) genutzt werden. Dabei wird gleichzeitig das Treibhausgas Kohlendioxid gebunden. Letztlich bilden diese auch als Dunkelreaktionen der Photosynthese bezeichneten Folgeprozesse die Grundlage unserer Ernährung und unserer derzeitigen Energieversorgung mit fossilen Brennstoffen.

Effizienter als die Natur

„Der von uns hergestellte Blattgrün-Ersatzstoff ist sehr viel stabiler, als das Chlorophyll der Algen und Pflanzen“, erklärt Knör. Die größte Überraschung aber brachte eine genaue Analyse der erzielten Energieausbeute des Prozesses. „Es stellte sich sehr bald heraus, dass unser neu entwickeltes künstliches Reaktionszentrum bei der Bildung des chemischen Speicherstoffs NAD(P)H deutlich weniger Energieverluste aufweist als das natürliche Photosystem I (PSI) der grünen Pflanzen!“ So wurde die maximale Energieausbeute der Lichtreaktionen von etwa 40% in PSI auf nahezu 80% im artifiziellen Photosystem gesteigert. „Diese ersten Ergebnisse sind sehr vielversprechend und haben international bereits große Beachtung in Fachkreisen gefunden. Vor dem Hintergrund steigender Bevölkerungszahlen und zunehmender Energie und Klima-Problematik wird inzwischen weltweit versucht, die Effizienz der natürlichen Photosynthese auf biologisch-chemischem Weg zu verbessern. Möglicherweise macht bald die Photosynthese mit ,künstlichen Blättern‘ das Rennen“, so Knör.

Saubere Energie ohne Treibhausgase

Artifizielle Photosynthese steht im Zentrum der Bemühungen um erneuerbare Energien und um eine nachhaltige, umweltschonende Chemie der Zukunft. Mit dem biochemisch universell nutzbaren Speicherstoff NAD(P)H oder auch mit solarem Wasserstoff als dessen technisch-chemischem Äquivalent lassen sich nach dem Vorbild der Natur zahlreiche andere wertvolle Produkte aus einfachen Rohstoffen produzieren.

Derzeit arbeitet Prof. Knör mit seinem Team und Kollegen an der JKU bereits erfolgreich am nächsten Schritt. Die künstliche Photosynthese kann zur direkten Gewinnung von Alkohol-Brennstoffen eingesetzt werden. Mit diesem und ähnlichen Prozessen könnten künftig die für das Klima problematischen CO2-Emissionen gebunden, sowie Nahrung und erneuerbare flüssige Treibstoffe mit Hilfe von Sonnenlicht, Luft und Wasser gewonnen werden.

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