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Das künstliche Blatt – eine reale Vision?

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In Sachen Energiegewinnung können wir Menschen von der Natur viel lernen. Ein prägnantes Beispiel ist die Photosynthese: Zwar ist diese sehr uneffizient, denn sie setzt maximal ein Prozent der Sonnenenergie in gespeicherte Energie um. Das jedoch machen die Pflanzen auf einfachste Art und Weise und mit unnachahmlicher Umweltverträglichkeit. In zwei Halbreaktion spalten die Pflanzen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Um diese Reaktionen zu beschleunigen verwenden sie Katalysatoren. Die beiden Halbreaktionen laufen separiert durch eine Membran ab, die den Wasserstoff und den Sauerstoff zwar trennt, Ionen jedoch passieren lässt. Durch diesen Kunstgriff der Natur wird verhindert, dass der leichtbrennbare Wasserstoff bei Anwesenheit von Sauerstoff spontan verbrennt.

Plagiomnium affine, Laminazellen, Rostock, Urheber: Kristian Peters -- Fabelfroh, 2006
Photosynthese – Plagiomnium affine, Laminazellen, Rostock, Foto- Wikipedia Urheber: Kristian Peters – Fabelfroh, 2006

Klingt eigentlich recht unspektakulär, ist es aber dennoch nicht. Seit vielen Jahren stehen zahlreiche Forscher weltweit im Wettstreit um das sogenannte künstliche Blatt. Bisher ergebnislos, jedoch zeichnen sich deutliche Fortschritte ab.
Zwei der weltweit führenden Protagonisten in diesem Forscherwettstreit sind Nathan Lewis und Daniel Nocera. Lewis ist Professor am California Institut of Technologie und Leiter der Forschungsgruppe Joint Center of Artificial Photosynthesis. Prägnant und provokant zugleich ist seine Aussage zur Photovoltaik: „Kein Speicher? Kein Strom nach 16 Uhr.“
Das von den USA finanzierte Forschungsprojekt hat ein Ziel: das künstliche Blatt. Und dieses soll die effektivsten Pflanzen übertreffen.
Prinzipiell muss das künstliche Blatt prozessmäßig sich an das natürliche anlehnen. Bionik nennt sich dieser Wissenschaftszweig. Dennoch kann man die Natur natürlich nicht nachahmen, sondern nur ihr Funktionsprinzip erkennen und technologisch eine vergleichbares entwickeln. Geforscht wird mit PEC – Photoelektrochemische Zellen -, die das Wirkprinzip des Blattes gewissermaßen zu kopieren versuchen. Dazu werden Photoelektroden, die in Wasser getaucht werden, eingesetzt. Welches Licht des Sonnenspektrums dabei genutzt wird ist noch nicht endgültig geklärt. Für die Anode, die Sauerstoff erzeugen soll, wird bläuliches Licht favorisiert, für die Wasserstoff-Kathode eher rötliches Licht.
Damit eine neue Technologie sich verbreiten kann, muss sie mehrere Eigenschaften erfüllen: preisgünstig, effizient, sicher und zudem langlebig. Auch ist auszuschließen, dass dieses „Künstliche Blatt“ auch nur entfernt Ähnlichkeit mit einem Natur-Blatt haben wird; es wird nur dessen elektrochemischen Prozesse zur Energiegewinnung aus Wasser zu reproduzieren versuchen. Als vergleich kann man das Flugzeug heranziehen, das sich wohl als eines der ersten Technikobjekte an dem Flug der Vögel orientierte, optisch – ohne Federn – jedoch kaum noch mit einem Vogel vergleichbar ist.

Halfsize Traumb. V1

Die Probleme bei diesen Prozessen sind die einsetzbaren Materialien, welche die geforderten Eigenschaften erfüllen können. Tausende davon sind heute bekannt, doch welche sind geeignet und dazu preisgünstig, effizient, sicher und langlebig? Computer sind dabei sehr hilfreich, dennoch müssen die so ermittelten Materialien und Verbindungen getestet werden. Und letztlich gehört auch zur Wissenschaft nicht nur umfangreiches Wissen und viel Fleiß, sondern auch eine Portion Glück – eben das Glück des Tüchtigen. Die Forschergruppe von Professor Lewis hatte diesen glücklichen Moment – zumindest teilweise. Bei ihren Forschungen und Experimenten stießen sie auf einen preiswerten Katalysator, der in der Erdölindustrie Schwefel aus den Produkten entfernt und zudem sehr geeignet ist, auch die Wasserstofferzeugung zu beschleunigen. Jedoch gibt es bisher wohl noch einen Wermutstropfen: der Katalysator für die Sauerstofferzeugung wird noch gesucht. Was für Lewis dennoch nicht ganz so tragisch ist, denn sein Schwerpunkt liegt in der Herstellung von Wasserstoff als Energieträger sowie in der Nutzung von Kohlendioxiden, die zu Kohlenwasserstoffen umgewandelt werden sollen.
Nathan Lewis hat einen großen Konkurrenten: Daniel Nocera. Er lehrt auch in den USA, und zwar in Harvard an der Ostküste, verfolgt jedoch einen ganz anderen Lösungsansatz. Nocera setzt nicht wie sein Forscherkollege auf die Produktion von Wasserstoff, sondern will diesen Schritt – hin zu Kohlenwasserstoffen – überspringen. Diese sollen konventionelle Erdölprodukte vollständig ersetzen. Nocera nutzt dabei die zuvor gesammelten Erfahrungen bei der Einführung neuer Technologien und den Verharrungswiderstand der Gesellschaft dagegen. Für Kohlenwasserstoffe könnte die gesamte weltweit vorhandene Erdölinfrastruktur weiterhin genutzt werden – sicherlich ein unschätzbarer Vorteil.




Jedoch ist die Erzeugung selbst einfachster Kohlenwasserstoffe unglaublich komplexer, als die von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und auch die ist bisher nur im Laborbetrieb gelungen. Dennoch konnte Prof. Nocera in den letzten Jahren einige außergewöhnliche Erfolge erzielen. Er baute ein Gerät mit einem anorganischen Katalysator, das zunächst Wasserstoff aus Wasser erzeugte. Diesem wurde dann zudem Kohlendioxid zugeführt und mittels gentechnisch veränderter Bakterien wurden aus dem Stoffgemisch flüssige Brennstoffe produziert: Alles jedoch nur unter Laborbedingungen. Die Bakterien vertrugen sich allerdings nicht mit Katalysator, aber irgendwas ist ja immer.
Also wurde nach einem neuen Katalysator gesucht, der sich mit den fleißigen Bakterien vertrug, und er wurde gefunden. Laut Nocera können die Bakterien, in Verbindung mit dem neuen Kobalt-Phosphor-Katalysator, verschiedene Kohlenwasserstoffe produzieren. 2017 setze er mit seinem Team noch einen drauf, in dem er demonstrierte, dass sein technologischer Ansatz auch in der Lage sei, aus dem Stickstoff der Atmosphäre Ammoniak herzustellen. Gelänge das industriell, so würden riesige Mengen an Energie zur Herstellung von Stickstoff-Düngemittel eingespart.
Interessante Aussichten: Dennoch bleibt die Frage, ob gentechnisch veränderte Bakterien die Lösung energetischer Probleme darstellen können, zumal diese sehr fragil sind. Da scheint zunächst die Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser erfolgversprechender. Doch wer vermag technologische Entwicklungen schon vorauszusehen?

CELTEE – Clean Energy Low Temperature Emissionsfree Engine

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Es war im Jahr 2002, als der mächtige Tsunami im Indischen Ozean mindestens 231.000 Tote im asiatischen und afrikanischen Raum forderte und die Welt erschütterte. Diese Naturkatastrophe war für die Erfinder Walter Loidel und Roland Stagl Auslöser für eine zündende Idee. Es sollte eine ausschließlich mit Sonnenenergie betriebene Wasseraufbereitungsanlage entwickelt werden, denn wenn es eines in der Krisenregion zur Genüge gab, dann war es die gnadenlos vom Himmel brennende Sonne. Diese Trinkwasseranlage sollte außerdem transportabel sein, technisch unkompliziert und sie sollte sich entsprechend des Bedarfs selbstständig an- und ausschalten.
Eine Mammutaufgabe, schier unlösbar sollte man meinen! Aber dafür gibt es Erfinder, die lösen technische Probleme, die eigentlich von Fachleuten als unlösbar betrachtet werden, denn Erfinder werden getrieben von der Neugier und begleitet von Ideenreichtum. Um eine solche Meerwasserentsalzungsanlage zu entwickeln, die nach dem physikalischen Prinzip der Umkehrosmose arbeiten sollte, musste ein Antriebsmedium für die Hochdruckpumpe als Kernstück der Anlage gefunden werden, das den genannten Anforderungen Rechnung tragen konnte. Gesucht wurde ein Stoff, der den nötigen Druck über eine Temperaturdifferenz erzeugen konnte. Diese Temperaturdifferenz sollte sich im Rahmen des Niedrigtemperaturbereichs bewegen. Gesucht wurde also ein Stoff mit Dehnungsanomalie – gefunden wurde CO2.
Keine Erfindung, auch keine Entdeckung, diese hatte Prof. Dr. Andreas Freiherr von Baumgartner in seinem 1835 erschienenen Werk „Die Naturlehre nach ihrem gegenwärtigen Zustande mit Rücksicht auf mathematische Begründung“ schon vorweggenommen. Er schrieb in seinem Kapitel über die Dampfmaschinen: „Endlich muss nach einer Maschine gedacht werden, in welcher man statt der Wasserdünste tropfbare Kohlensäure anwendet, die unter gewissen Umständen ausdehnsam wird und mit ungeheurer Kraft auf einen Kolben wirkt. Es ist kein Zweifel, dass solche Maschinen an Kraft alle so genannten Dampfmaschinen weit übertreffen würden, wenn nicht besondere Umstände ihre Entwicklung schwierig machten.“ Die Schwierigkeiten damals, vor über 175 Jahren, waren zum einen die Bereitstellung von reinem CO2 sowie zum anderen die unzureichenden Fertigungstechniken in der Metallbearbeitung. Später, als diese Hauptprobleme beseitigt waren, hatte man die Möglichkeiten, die Kohlendioxid energetisch bietet, vergessen, verdrängt oder bewusst außen vorgelassen. Man konnte ja auf die neuen Energieträger Benzin, Diesel und Strom zurückgreifen, die gute Profite und auch hohe Steuereinnahmen versprachen.
Loidl und Stagl hatten jedoch dieses faszinierende Arbeitsmedium wiederentdeckt. Sie entwickelten daraus das Herzstück ihres Antriebs- bzw. Arbeitskonzeptes, das sie CELTEE nannten.
Jedoch arbeiten mit kostenloser Energie, umweltfreundlich, klimaneutral, autark und preiswert – wer will das schon?




Die Wirtschaft jedenfalls nicht, die will Profite, die Politik wohl auch nicht, denn die will Steuereinnahmen. Und die Wissenschaft? Wieder einmal lernten zwei herausragende Erfinderpersönlichkeiten die Verharrungskräfte unserer modernen Gesellschaft kennen, insbesondere auch die der Wissenschaft. Wissenschaftliche Dogmatiker und Fundamentalisten, die ihre eigene Karriere höher bewerten als den Fortschritt, bremsen aus und versuchen Erkenntnisse, die ihrem angestammten Arbeitsgebiet entgegenstehen, im Keim zu ersticken. Ich weiß, worüber ich da rede! Dann aber gelang den beiden Ingenieuren ein bedeutender Zwischenerfolg. Der Physiker und ausgewiesene Experte für Thermodynamik, Strömungsmechanik und Wärmeübertragung für kraft- und Arbeitsmaschinen, Prof. Dr.-Ing. Klaus Nitsche, nahm sich der Problematik an. Es wurde der leistungsfähige Prototyp einer Celtee-Anlage mit zwei Arbeitszylindern gebaut, der die Funktionsfähigkeit der Erfindung als Kreisprozess einer Arbeitsmaschine in seiner Funktion bestätigte. Im Jahr 2009 wurde von dem Wissenschaftler ein Gutachten erstellt, dessen Plädoyer lautet: „…wir arbeiten mit kostenloser Energie!“ Auf Grund des Patentschutzes für Celtee kann ich hier leider keine technischen Details preisgeben.
Auch hege ich die Hoffnung, dass sich zukünftig Presse und Medien fachlich, konstruktiv und vor allem loyal und kompetent mit derartigen Erfinderthemen und neuen technologischen Ansätzen auseinandersetzen und nicht nochmals dem Hummel-Paradoxon unkritisch anheimfallen. Denn, dass eine Hummel gemäß physikalischer Gesetze eigentlich nicht fliegen kann, es aber nur noch nicht weiß, ist ein Wissenschaftsscherz der 1930er Jahre und physikalisch längst wiederlegt. Die Hummeln müssen das also eigentlich nicht wissen, die Fortschrittsbremser und Beharrer aber müssen erkennen, dass wissenschaftliche Erkenntnisse nicht zementiert sind, sondern sich in einem kontinuierlichen Entwicklungsprozess befinden.
Im Fall der Celtee-Erfindung ist von derartigen Fortschritten leider noch nicht sehr viel zu spüren. Die Erfinder haben zwar eine entsprechende Referenzanlage bauen können, jedoch fehlt ihnen nach wie vor das Geld um Celtee zur Serienreife zu entwickeln.
Vielleicht finden sich ja auf diesem Weg Interessenten und Investoren. Diese können sich gern bei mir melden. Auch ein Crowdfunding-Projekt wäre sicherlich eine gute Sache. Übrigens wären Arbeitsmaschinen nach dem Celtee-Prinzip auch ideal für die Entwicklungsländer. Denn wie wir täglich aufs Neue sehen können, hat unsere Politik keine Ideen und Visionen, wie die Armut in diesen Ländern abgebaut werden kann. Und ohne Perspektiven werden sich die Menschen aus den Entwicklungs- und Schwellenländern auch weiterhin auf den Weg nach Europa machen: Wer kann es ihnen verdenken?