Treibstoff aus Sonnenlicht

24. November 2008, 16:30
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Die Künstliche Fotosynthese soll die Wasserstoffherstellung erleichtern

"Die Leute erschrecken, wenn sie hören, wie viel Energie wir in vierzig Jahren brauchen werden" , sagt Dan Nocera, Chemiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT). "Sie realisieren nicht, wie groß das Problem wirklich ist!" Die bis 2050 auf neun Milliarden gewachsene Menschheit wird 28 bis 35 Terawatt (TW) Energie pro Jahr benötigen. Derzeit verbrauchen sechs Milliarden Menschen 15 TW, bei sehr ungleicher Verteilung von Wohlstand und Energieversorgung. Die Industrialisierung Chinas und Indiens und das Bevölkerungswachstum werden den Energiebedarf in die Höhe schnellen lassen.

Nun ist die Wissenschaft gefordert, eine Lösung für das Energieproblem zu finden. Das trommeln Nocera und sein Linzer Kollege Günther Knör (siehe Interview links). "Die Sonne liefert in einer Stunde so viel Energie auf die Erde, wie die Menschheit derzeit in einem ganzen Jahr verbraucht. Wir Chemiker müssen einen Beitrag leisten, um diese Energie künftig besser nutzen zu können" , sagt Knör, Vorstand des Instituts für Anorganische Chemie an der Johannes-Kepler-Universität Linz. "Dazu brauchen wir geeignete Fotokatalysatoren, um die Sonnenenergie einzufangen und damit Treibstoffe zu erzeugen."

Konkret: Die Chemiker wollen Wasser in die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen und den Wasserstoff als Basis für synthetische Treibstoffe verwenden.

Wie man Wasser im Labor spaltet, ist seit 200 Jahren bekannt. Man hält zwei Elektroden ins Wasser und legt eine Gleichspannung an. Den Wasserstoff so durch Elektrolyse mit Strom zu gewinnen ist aber nicht wirtschaftlich. Zu viel elektrische Energie aus nicht erneuerbaren Quellen müsste aufgewendet werden. Forscher versuchen deshalb die Fotosynthese zu imitieren. Die Pflanze nimmt mit- hilfe des lichtabsorbierenden Farbstoffs Chlorophyll Sonnenenergie auf und wandelt sie in chemische Energie um.

"Wir wollen die entscheidenden Schritte, die ablaufen, wenn Licht auf die Pflanzenzelle fäll, durch ein einfaches molekulares System erreichen" , sagt Knör. "Eine farbige Substanz, die man ins Wasser gibt, um dessen fotochemische Spaltung zu bewirken." Doch Biologen und Chemiker sind immer noch dabei herauszufinden, wie die Pflanzen überhaupt arbeiten.

Dem Ziel, der Revolutionierung der Energiegewinnung, ist man am MIT heuer einen großen Schritt näher gekommen. Nocera und sein Mitarbeiter Matthew Kanan haben einen neuen Katalysator für die Elektrolyse von Wasser gefunden.

Fundamentaler Geldmangel

Bisher war dafür das teure Edelmetall Platin nötig, dessen Vorräte begrenzt sind. Nocera und Kanan entdeckten, dass auch Elektroden aus Nickel mit einem Katalysatorsystem aus Kobalt funktionieren. Der Vorteil: Kobalt und Nickel sind billig und in ausreichender Menge verfügbar. Auch die energetische Bilanz der elektrochemischen Wasserspaltung wurde durch den neuen Katalysator deutlich verbessert: Man kann nun auch die relativ magere Stromausbeute von Solarzellen nutzen, um mit hoher Effizienz Wasserstoff zu erzeugen.

Noch weiß Nocera nicht genau, wie der Katalysator wirklich wirkt, doch seit Science die Ergebnisse am 31. Juli online stellte, erhält er zahlreiche Angebote von Investoren. Hilfreich war die Entdeckung wohl auch für die Entscheidung der US National Science Foundation, das Forschungsprojekt "Powering the Planet", an dem Nocera beteiligt ist, mit weiteren 20 Mio. US-Dollar zu dotieren. Das beseitigt dennoch nicht den fundamentalen Mangel an Geld, unter dem die Energieforscher leiden.

Weltweit arbeiten an die fünfzehn Gruppen intensiv an der künstlichen Fotosynthese. "Doch eigentlich sollten 3000 Gruppen daran arbeiten. Wir haben ein riesiges Problem zu lösen" , meint Nocera. Knör will in Linz die Suche nach Katalysatoren forcieren, um dem ehrgeizigen Ziel, ein effizientes molekulares System für die fotochemische Wasserspaltung zu entwickeln, näherzukommen. Gemeinsam mit einer Hand voll Jungforschern, die seinen Enthusiasmus teilen. (Margarete Endl, DER STANDARD, Print-Ausgabe, 25.11.2008)

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