Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren hat uns die Natur die Photosynthese beschert. Dieser chemisch-physikalische Prozess bezeichnet die Erzeugung von energiereichen Stoffen aus energieärmeren Stoffen mit Hilfe von Lichtenergie und wird in der Natur von Pflanzen, Algen und zahlreichen Bakterien praktiziert.
Der Prozess der Photosynthese ist wissenschaftliche weitgehend erforscht, ihn jedoch technisch nachvollziehen zu können, ist eine ganz andere Sache. Dennoch geht das Konzept der künstlichen Fotosynthese zurück auf das Jahr 1912. Jedoch wie bei den meisten anderen Technologien auch, fehlte es damals an Umsetzungsmöglichkeiten. Erst 1972 begannen sich japanische Forscher Gedanken darüber zu machen, wie ein Apparat aussehen könnte, der Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten könnte. Andere Spaltungstechnologien für Wasser wurden jedoch bereits im 2. Weltkrieg erforscht.
Einer der Pioniere der künstlichen Photosynthese ist der amerikanische Harvard Professor Daniel George Nocera (*1957). Üblicherweise entsteht in der Natur bei der Photosynthese Zucker. Bei dem technisierten Prozess hingegen soll grundsätzlich Wasserstoff entstehen. Nocera hat einen Weg gefunden, gewisse Prozesse dieser komplexen Synthese technisch nach zu vollziehen. Das dabei der Schwerpunkt auf die Synthese von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gelegt wird hat energetische Ursachen: Wasserstoff enthält mehr Energie pro Gewichtsanteil als jeder andere chemische Brennstoff. Zudem verursacht Wasserstoff bei der Verbrennung keine schädigenden Emissionen und gilt daher als Energieträger der Zukunft.
Prof. Nocera sagt dazu: „In jeder Stunde trifft mit dem Sonnenlicht mehr Energie auf die Oberfläche der Erde, als wir Menschen in einem Jahr verbrauchen. Wir benötigen also nur einen kleinen Teil davon.
Besonders im kalifornischen Pasadena, im California Institute of Technologie (Caltech) versucht ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern es den Pflanzen gleich zu tun – hat aber weitaus mehr Mühe damit. Welches Interesse die USA dennoch an diesem Zukunftsprojekt haben, zeigt die Bereitstellung von 115 Mio.$ über 5 Jahre mit denen 190 Wissenschaftler gefördert werden. Dennoch sind die Fortschritte, die bisher erzielt wurden überschaubar. Man hatte sich das Ganze wohl einfacher vorgestellt. Die Forscher bezeichnen ihren Apparat als „künstliches Blatt“. Das erfüllt zwar in der Forschung schon seinen Zweck ist jedoch vom Einsatz in der Praxis noch weit entfernt.
Der wissenschaftliche Direktor von Caltech, Nathan Lewis, sagt über sein Projekt: Man verlangt drei Dinge von einem künstlichen Blatt: es soll einen hohen Wirkungsgrad besitzen, kostengünstig und robust sein. Und ich könnte bereits heute mit zwei dieser Eigenschaften – ganz egal welche – dienen, aber nicht mit allen drei gleichzeitig.“
Prinzipiell besteht das „Künstliche Blatt“ aus zwei Halbleiterelektroden die mit einem Katalysator beschichtet sind und die einen Teil der Lichtenergie des Sonnenspektrums absorbieren können. Das Wasser wird in seine beiden Bestandteile zerlegt und die entstandenen Gase durch eine Membran getrennt. Das Prinzip hört sich nicht spektakulär an, ist es aber dennoch.
Die Krux am „Künstlichen Blatt“ ist, eine optimale Zusammenstellung der verschiedenen Materialkomponenten zu finden. Insbesondere die Materialauswahl für die Photokathode, die das Sonnenlicht absorbiert und das Wasserstoffgas erzeugt stellt sich problematisch dar – wie gesagt kostengünstig, zuverlässig und mit hohem Wirkungsgrad. Tausende verschiedene Materialkombinationen werden dazu untersucht und getestet.
Beim Caltech Projekt – Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) – führt man einen Teil dieser Materialtests mit Tintenstrahldruckern durch, die pausenlos kleine Legierungsproben auf Glasplatten drucken. Die Forscher prüfen dann, ob sich einer der aufgedruckten Werkstoffe als Katalysator oder Lichtabsorber eignet. Zusammengenommen vermögen die Drucker, täglich bis zu eine Million unterschiedliche Proben herzustellen.
In zahlreichen anderen Forschungsprojekten überall auf der Welt werden alternative Lösungsansätze für die technische Photosynthese verfolgt. Jedoch sind diese Systeme nicht ungefährlich, wenn sie in großer Anzahl betreiben werden. In Santa Barbara, Kalifornien – testet ein junges Unternehmen namens HyperSolar beispielsweise ein System, in dem beschichtete Nano- oder Mikropartikel sowohl Lichtabsorber als auch Katalysator in sich vereinen und in einem transparenten, mit Wasser gefüllten Kunststoffbeutel verstaut werden. Scheint Sonnenlicht auf den Beutel, bilden sich Wasserstoff- und Sauerstoffgas darin, und er bläht sich auf. Das Problem ist, dass beide Gase gemeinsam erzeugt werden. Stellte man diese Beutel in großen Batterien auf und kommt es nur an einem zu einer Explosion, so erfolgt eine Kettenreaktion mit katastrophalem Ausmaßen.
Wissenschaftler machen derzeit Fortschritte an allen Fronten. „Doch letzten Endes“, so Devens Gust von der Arizona State University in Tempe, „weiß noch niemand wirklich, welcher Ansatz sich behaupten wird, welcher sich als praktikabel erweist.“
Ich bin davon überzeugt, dass in den nächsten 10 Jahren eine praktikable Methode für die technische Photosynthese gefunden werden wird. Ob diese dann jedoch auch schon in die Praxis überführt wird ist fraglich. Zu mächtig ist die Erdöl- und Energielobby und auch die internationale Politik ist in Umweltfragen gern populistisch unterwegs. Sie müsste, wenn wir mit Wasser fahren könnten, vollständig auf die beträchtlichen Steuern auf Energie und Treibstoff verzichten. Ob sie das ohne große Not wirklich will, wird uns die Zukunft zeigen. Wir dürfen gespannt sein!