Die Geheimnisse der künstlichen Photosynthese entschlüsseln

„Unser gemeinsames Ziel ist es, künstliche Chloroplasten zu entwickeln und mit ihnen Photosynthese zu betreiben, um so Wasserstoff zu gewinnen“, sagt Dr. Jacob Schneidewind von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Es gehe darum, ein möglichst breites Lichtspektrum auszunutzen und dabei preisgünstige Ausgangsstoffe einzusetzen. Der Chemiker forscht am Zentrum für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena) der Friedrich-Schiller-Universität. Sein neues Forschungsprojekt „Zwei-Photonen Wasserspaltung für die Realisierung gekoppelter Photokatalyse“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit 325.000 Euro gefördert. Das Projekt ist Teil des Sonderforschungsbereichs und Forschungsverbundes „CataLight“ EN en, der an den Universitäten Jena und Ulm koordiniert wird. Das Projekt startet im Juli 2024.  

Mit Hilfe des Sonnenlichts soll Wasserstoff erzeugt werden  

„In den Blättern von Grünpflanzen wechselwirken im Prozess der Photosynthese immer mehrere Moleküle miteinander“, sagt Jacob Schneidewind. Diese Moleküle müssten sich aber zunächst einmal finden. In den konstruierten „Blättern“ sollen die Moleküle deshalb so angeordnet werden, dass die Suche nach einem Reaktionspartner wegfällt. Jacob Schnei­dewind spricht von Prä-Organisation der Moleküle im Reaktor. Es gehe darum, für die Reaktion maßgeschneiderte Polymere einzusetzen, die diese Prä-Organisation erzeugen. Seine Forschungsgruppe profitiert dabei von Kooperationen innerhalb des Forschungsver­bundes „CataLight“. 

Pflanzen produzieren mit Hilfe von Sonnenlicht energiereiche Zuckerverbindungen. In ihren Blättern sind dabei die Elemente Mangan, Kalzium und Magnesium beteiligt. Hingegen soll bei der künstlichen Photosynthese Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Dazu wird in den Reaktoren bisher das Edelmetall Ruthenium als Katalysator eingesetzt. Doch weil Ruthenium selten und teuer ist, wollen Jacob Schneidewind und sein siebenköpfiges Team es durch alternative Materialien wie Eisen ersetzen. Eisen wäre günstig und einfach verfügbar.

Gleichzeitig geht es darum, das Spektrum des Lichts zu erweitern, das bei der Reaktion als Energiequelle dient. Häufig wird lediglich UV-Licht genutzt, welches nur einen kleinen Teil des Sonnenspektrums darstellt. „Die Idee ist, die unterschiedlichen Bereiche des Lichts gleichzeitig zu nutzen“, sagt Schneidewind. Denkbar seien dann Anlagen, bei denen Polymer-Folien hinter Glas von Wasser durchströmt und dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Der dabei aufsteigende Wasserstoff müsste nur noch aufgefangen werden.

Was einfach klingt, ist kompliziert umzusetzen. Anders gesagt: „Die Pflanzen haben bei der Photosynthese einen Vorsprung von etwa drei Milliarden Jahren“, sagt Jacob Schneidewind. So lange ist es her, dass einfache Einzeller begannen, mit dieser eleganten Weise ihre Energieprobleme zu lösen. Die Feinheiten dieses Prozesses müssen nun weiter entschlüsselt werden, um eine effiziente Energiequelle zu kreieren.