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Sonnenkraft – Photochemie

 

Quelle: Achmed A. W. Khammas (Buch der Synergie)

Anwendungen der Sonnenenergie

Die Möglichkeiten der Ausnutzung von Sonnenenergie beginnen mit der natürlichen Photosynthese, welche die grundlegende chemische Reaktion für das Leben auf unserem Planeten bildet – denn die Photosyntheseprodukte sind die Grundlage der Nahrungskette, an deren Ende der Mensch steht. Gleichsam als Nebenprodukt der Photosynthesereaktion entsteht der für alle Lebewesen wichtige Sauerstoff. Mit der Entdeckung 3,5 Mrd. Jahre alter Sauerstoff-Verwertender Cyano-Bakterien in alten Gesteinen Australiens durch die Universität von Kalifornien konnte inzwischen auch das ungefähre Alter der Photosynthese auf unserem Planeten festgestellt werden.

Im Folgenden werde ich die Anwendungsbereiche der Sonnenenergie mit der technischen Darstellung der Photosynthese beginnen.

Photochemische Nutzung

Photosynthese

Beim Prozeß der natürlichen Photosynthese werden in grünen Pflanzen mit Hilfe von Chlorophyll als Katalysator auf sehr effektive Weise Kohlehydrate gebildet. Dabei wird das Kohlendioxyd aus der Luft mittels Lichtenergie in Zucker und Stärke umgewandelt. Diese Methode der Natur ist die bisher wirksamste Art der Sonnenenergie-Nutzung. Seit längerem wird an mehreren Forschungsinstituten versucht, diesen natürlichen Prozeß nachzuvollziehen, d.h. eine Technische Photosynthese in Gang zu setzen.

Die Wichtigkeit derartiger Forschungen erklärt sich wenn man berücksichtigt, daß eine photochemische Energiespeicherung in stationären Elektronenzuständen der Materie um 20 – 100 Mal wirksamer ist als eine Speicherung in den atomaren Schwingungen. Noch wichtiger ist allerdings, diesen Ladungszustand auch möglichst so lange zu erhalten, bis die Ladung wieder gebraucht wird. Deshalb müssen die erreichten höheren Zustände im Molekül (was durch die Aufladung mittels Lichtquanten erfolgt) auch an ein lagerfähiges Produkt angekoppelt werden, wobei hier als (molekulares) Beispiel die Substanz cis-Stilben genannt sei.

Geradezu phantastisch mutet die Effizienz des biologischen Prozesses der Lichtumwandlung an, denn praktisch jedes Lichtquant, das zum Reaktionszentrum gelangt, verursacht dort eine Ladungstrennung. Die Lichtausbeute beträgt somit nahezu 100 %. Allerdings geht bei der Ladungstrennung ein Großteil der Energie verloren, so daß im Endeffekt etwa 40 % der Lichtenergie im Primärschritt der Photosynthese fixiert wird – ein trotzdem noch sehr beachtlicher Wirkungsgrad. Und trotz aller weiteren Verluste im Zuge der photosynthetischen Prozesse liegt der energetische Gesamtwirkungsgrad von Pflanzen zwischen 3 % und 4 %.

Die Photosynthese besteht aus mehreren hintereinandergeschalteten Teilschritten, an denen zahlreiche zelluläre Bestandteile mitarbeiten. Das zentrale Rädchen in diesem Gefüge – gleichsam der Motor der Photosynthese-Maschine – ist das Reaktionszentrum, in dem die Umwandlung von Lichtenergie in elektrochemische und schließlich in chemische Energie erfolgt. Dieses Reaktionszentrum ist aus etwa 1.200 Aminosäure-Bausteinen zusammengefügt. Das Prinzip dieses Prozesses wurde bereits 1965 von dem Biologen Dr. Walter Stoeckenius an der New Yorker Rockefeller University entdeckt, jedoch erst in den letzten Jahren genauer untersucht. Es handelt sich hierbei um die Bakterielle Photosynthese, bei der die Energiespeicherung durch einen elektrischen Potentialunterschied erreicht wird.

Die grünen Pflanzen verfügen im Unterschied zu den lichtnutzenden Bakterien über eine spezielle Erweiterung: Durch Anbauten an das Reaktionszentrum – dann Photosynthese II genannt – gelingt es ihnen, die aufgefangene Energie zur Wasserspaltung zu nutzen, wobei biologisch gebundener Wasserstoff und Sauerstoff entsteht. Der Grund, weshalb Photosynthese-Forscher zumeist Bakterien und nicht grüne Pflanzen untersuchen, liegt also darin, daß die bakterielle Lichtnutzung eine vereinfachte Form der pflanzlichen Photosynthese ist.

Außerdem besitzt das Reaktionszentrum der Purpurbakterien Ähnlichkeiten mit dem Photosynthese-System II der Pflanzen.

Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in San Francisco haben zusammen mit dem Ames-NASA-Forschungszentrum im kalifornischen Mountain View erfolgreich mit einem roten Farbstoff namens Bakteriorhodopsin experimentiert (das in der Natur benutzte Chlorophyll reflektiert dagegen die grüne Farbe). Das Proteinmolekül, das in den Zellmembranen von in gesättigten Salzlösungen lebenden Bakterien gefunden wurde (Halobakterium Halobium), stellt praktisch eine lichtbetriebene Protonen-Pumpe dar. Da Protonen elektrisch geladen sind (in diesem Fall sind es Wasserstoff-Ionen), wird in diesem Vorgang Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt.

Diese Salzbakterien leben mit Vorliebe im Wasser des Toten Meeres und ihre rund 100.000 spiralfederförmigen roten eiweißhaltigen Pigmente pro Bakterie lösen bei Lichtsättigung pro Molekül und Sekunde 100 – 250 Protonen aus dem Bakterienkern heraus. Der entstehende Spannungsunterschied zwischen positiv geladener Außenseite und negativ geladenem Zellinnern beträgt knapp 0,3 V. Der Chemie-Nobelpreisträger Peter Mitchell bezeichnete dieses elektrochemische Potential übrigens als Protomotische Kraft.

Das Pigment nutzt diese Kraft zur Herstellung von energiespeicherndem Adenosintriphosphat (ATP), womit das Prinzip ggf. auch zur Energiespeicherung genutzt werden könnte – neben einer weiteren möglichen Anwendung zur Meerwasserentsalzung. Das ADP-ATP-System ist sozusagen die Energiezentrale aller Lebensvorgänge. Beim Übergang von ADP (Ade­nosindiphosphat) in ATP (Adenosintriphosphat) werden Energien in Größenordnungen normaler chemischer Reaktionen umgesetzt.

Interessant an diesem Prinzip ist, daß es – im Gegensatz zur natürlichen Photosynthese oder auch zur Atmung – direkt und ohne Redoxvorgänge abläuft. Am Mikrobiologischen Institut der Universität Moskau konnte inzwischen die Aminosäuresequenz des Eiweißbestandteils bestimmt werden, so daß die Struktur des Bakteriorhodopsin weitgehend aufgeklärt ist.

Am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München beschäftigt sich der Direktor der Abteilung Membranbiochemie Prof. Dieter Oesterhelt mit den molekularen Grundlagen dieses Vorgangs, nachdem er bereits 1969 im Institut von Stoeckenius damit begonnen hatte, die Pigmente des Holobakteriums Halobium aus der Zellmembran zu lösen. Dabei stößt er auf einen weiteren, diesmal gelben Farbstoff, der dem Sehpigment Retinol im Auge von Mensch und Tier eng verwandt ist, und der die Rolle eines Schalters spielt, welcher durch Licht betätigt wird. Im natürlichen Bakteriorhodopsin setzt bei Belichtung in wenigen Billionstel Sekunden der nach außen gerichtete Transport der Protonen ein (ein Lichtstrahl legt in dieser Zeit nur einige Millimeter zurück). Es gelingt dem Team um Oesterhelt, einen Teil der bakteriellen Photosynthese im Reagenzglas nachzubauen. In die Wandung eines künstlichen Fettbläschens (Liposom) eingebaut, funktionieren die Eiweißbausteine wie in einer lebenden Zelle: Sobald Licht auf die Konstruktion fällt, springt der Elektronenkreislauf an, und Protonen (Wasserstoff-Inonen H+) werden durch die künstliche Membran gepumpt. Am Eiweißbaustein ATPase wird aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat (P) das energiereiche Adenosintriphosphat (ATP) hergestellt – und damit die Lichtenergie in Form von chemischer Energie fixiert.

Den Chemie-Nobelpreis 1988 erhalten die drei Institutswissenschaftler Johannes Deisenhofer, Robert Huber und Hartmut Michel für ihre jahrelange Arbeit, die Raumstruktur der Molekülkomplexe aus dem Purpurbakterium Rhodopseudomonas virides vollständig aufzuklären. Das im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 143 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (‚Primärprozesse der bakteriellen Photosynthese’) computergenerierte dreidimensionale Bild des Moleküls samt seiner Untereinheiten zeigt den biologischen Energiewandler von Licht in chemische Energie. Anhand der Molekülmodelle ließ sich auch zeigen, wie die Lichtstrahlen von Farbstoffmolekülen gesammelt und zum photosynthetischen Reaktionszentrum weitergeleitet werden – ein Vorgang von 50.000 Reflexen mit etwa 10.000 Atomen, der in wenigen billionstel Sekunden und nahezu ohne Energieverlust abläuft. Laut Huber würden diese ‚biologischen Photozellen’ wie Elektronenpumpen arbeiten.

Neben Oesterhelt beschäftigen sich auch Forscher in mehreren anderen Ländern mit der weiteren Aufklärung der Retinalähnlichen Eiweißverbindung. So wird von Y. Mukohata das Halorhodopsin entdeckt, und R. MacDonald und J. Lanyi weisen nach, daß dieses ausschließlich Natriumionen nach außen pumpt. Als Folge dringen daher vermehrt Protonen in die Zelle ein und bilden dabei das ATP.

Auch in Israel und in Ungarn wird an einer technischen Anwendung gearbeitet. Allerdings erweist sich die Herstellung großer und lückenlos mit Purpurmenbranen beschichteter Flächen als äußerst kompliziert und aufwendig, so daß eine praktische Nutzung vorerst nicht in Sicht ist (Stand 1985).

Etwa um diese Zeit entwickeln die amerikanischen NASA-Forscher Prof. Bailey und Dr. Callahan eine neue Theorie zur Fähigkeit von Insekten, Sonnenenergie umzuwandeln. Sie nennen den Prozeß EWEC (Electromagnetic Wave Energy Conversion), da sie feststellten, daß die elektromagnetische Strahlung nach dem Empfang in Form von Licht durch die Netzhaut in elektrische Impulse umgewandelt wird.

Die Berliner Arbeitsgruppe Technische Photosynthese stellt auf dem Weltkongreß zur Solartechnik 1987 in Hamburg ein mobiles bio-solares Kraftwerk mit großem Sonnenlicht-Konzentrator vor.

Anfang der 1990er Jahre werden die Experimente von Prof. Michael Grätzel bekannt, dessen Farbstoff-Solarzellen ebenfalls nach dem Vorbild der Pflanzenzellen aufgebaut sind. Auf diese höchst interessante Variante werde ich weiter unten noch näher eingehen.

1994 wird mit der Berechnung des ersten Energieübertragungsschrittes der Bakterienphotosynthese durch Reinhold Egger von der Universität Freiburg und dem Chemiker Chi Ho Mak von der University of Southern California ein weiterer Erfolg in Richtung auf eine biologische Solarzelle vermeldet.

1998 wird auf der ‚Konferenz über photochemische Energieumwandlung und Speicherung solarer Energie’ in Berlin, von John Turner, einem Forscher des National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado (USA), eine autarke, zweistufige Solarzelle nach dem Vorbild der Photosynthese vorgestellt, die mit einem Rekord-Wirkungsgrad von etwa 12 % mittels Sonnenlicht Wasser spaltet und Sauerstoff sowie Wasserstoff produziert (s.d.).

Die Abteilung für solare Energietechnik am Berliner Hahn-Meitner-Insitut zeigt ihrerseits eine ‚Nasse Solarzelle’, bei der – in Anlehnung an die Grätzel-Zelle – die Halbleiterschicht herkömmlicher Zellen durch Wasser ersetzt wurde.

Amerikanischen Forschern am Massachusetts Institut of Technology (MIT) gelingt es im Juni 2004, aus Chloroplasten des Spinats einen Proteinkomplex zu isolieren, der in einer Solarzelle die Aufgabe der Photosynthese übernimmt.

Daß die ersten Prozeßschritte der Photosynthese allerdings ganz anders ablaufen als bisher angenommen, veröffentlichen Biologen der Ruhr-Universität Bochum und des Max-Planck-Instituts für Bioorganische Chemie Mitte 2006. Dabei geht es um die Frage, in welcher Reihenfolge sich die ersten Prozesse der Photosynthese abspielen, die in Zeitbereichen von wenigen Picosekunden ablaufen (1 ps = 10-12 Sekunden).

Im Wesentlichen gewinnen die Forscher zwei zentrale Erkenntnisse, die den bisherigen Wissensstand radikal korrigieren: Der erste Reaktionsschritt wird von einem einzelnen Chlorophyll durchgeführt, das nach bisheriger Überzeugung gar nicht dafür eingeplant war. Und der Prozeß der Weiterleitung der Lichtanregung verläuft wesentlich rascher als der Prozess der ersten ‚chemischen’ Reaktion, d.h. der Aufbau eines elektrischen Gradienten über der Membran.

Die neuen Erkenntnisse liefern nun die molekulare Erklärung für die bisher nicht gut verstandene extrem hohe Oxidationskraft, die zur Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Protonen, also die zentrale Funktion für die Speicherung von Solarenergie in der Photosynthese, erforderlich ist. Davon werden nun Auswirkungen auf sog. biomimetische Verfahren erwartet, mit denen die natürlichen Prozesse künstlich ‚nachgebaut’ werden sollen.

Fast zeitgleich informiert eine Forschergruppe der Universitäten Genf und Würzburg darüber, daß ihr erstmals gelungen ist mehr als nur einzelne Schritte der Photosynthese nachzuahmen. Hierzu bauen und nutzen die Wissenschaftler supramolekulare Systeme, d.h.  Moleküle, die über eine relativ schwache Wechselwirkung (etwa die Wasserstoffbrückenbindung) ein gemeinsames System mit durchaus neuen Eigenschaften bilden. Wählt man die beteiligten Moleküle richtig aus, vollzieht sich ein Selbstorganisations-Prozess, der Eingriffe unnötig macht.

Derartige Molekül-Konstruktionen transportieren bei der Anregung durch Licht freigesetzte Ladungsträger so schnell in einen Elektronenspeicher, daß diese keine Zeit zum Rekombinieren haben. Dort angekommen, sorgen die Elektronen für eine Anreicherung von Protonen. Um anschließend die Schleusen zu öffnen läßt man ein spezielles Molekül an die Konstruktion andocken, das erstens die Photosynthese beendet und zweitens einen Abflusskanal für die Protonen öffnet. Das Problem besteht allerdings noch darin, daß sich der Kanal, durch den das gestaute Medium abfließt, bisher nicht wieder schließen läßt. Wenn also alle Protonen abgeflossen sind, wird der Speicher nicht mehr aufgefüllt.

Schon im Oktober 2005 wird im Rahmen einer Doktorarbeit am Institut für Nanotechnologie des Forschungszentrums Karlsruhe der biomimetische Ansatz zur Synthese von artifiziellen lichtsammelnden Systemen durch Selbstassemblierung verfolgt. Der wissenschaftliche Bericht FZKA 7174 beschreibt die Erforschung und Herstellung künstlicher photonischer Antennensysteme mit einem supramolekularen Ansatz, bei dem Selbstassemblierung und Selbstaggregation wichtigste Schritte darstellen, und der biomimetisch das Antennesystem von grünen photosynthetischen Bakterien nachahmt. Einige der vorgestellten supramolekularen Assemblate stellen vielversprechende Vertreter für künstliche lichtsammelnde Systeme dar, die auf ihre Anwendung in hybriden Solarzellen hoffen lassen.

Auch an der University of Sydney arbeitet eine Forschungsgruppe daran, die Effizienz der Blätter von 30 % bis 40 % nachzuahmen. Im September 2006 wird bekannt, daß einige der Schlüsselsysteme der Photosynthese nachgebaut werden konnten. Mit jeweils rund 100 der synthetischen Porphyrinen gelingt es, ringförmige Strukturen zu bilden, die das Licht ähnlich wie in der Natur einfangen. Ein Partnerteam an der Osaka University arbeitet daran, die neuen Moleküle zum Äquivalent einer Pflanzenzelle zu kombinieren. Innerhalb von fünf Jahren soll die Technologie marktreif sein. Es wird sogar darüber nachgedacht, mit diesen Substanzen neue Batterien zu entwickeln.

In Deutschland wird bereits Anfang Juni 2005 in Lübeck die TriPorTech GmbH gegründet, deren Ziel die Herstellung, Erforschung und Vermarktung von Porphyrinen und porphyrinähnlichen Substanzen ist, auch hier denkt man daran, die Porphyrine u.a. als Katalysatoren für Brennstoffzellen, als Chemikalien für die Wasseraufbereitung und zur Herstellung organischer Solarzellen zu nutzen.

Wissenschaftler des Max-Volmer-Laboratoriums für Biophysikalische Chemie der TU Berlin um Dr. Athina Zouni berichten im November 2006, daß sie zusammen mit Kollegen vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien sowie der FU Berlin und dem Max-Planck-Institut Mülheim der künstlichen Photosynthese einen entschiedenen Schritt näher gekommen sind, indem sie die Struktur des sogenannten Photosystems II bestimmen, das mit Sonnenenergie Wasser spaltet. Mit Hilfe von Röntgentechnologie und Computermodellen klärten sie die genaue geometrischen Anordnung eines Moleküls, das den entscheidenden Schritt der Photosynthese bewerkstelligt, und das aus einem Kalzium- und vier Manganatomen besteht, die durch fünf Sauerstoffatome verbunden sind. An dieser Aufgabe hatten mehrere Gruppen an mindestens 18 verschiedenen Modellen über Jahre hinweg gearbeitet.

Durch Photosynthese sind grüne Pflanzen und Cyanobakterien in der Lage, mittels ihrer molekularen Reaktionszentren Sonnenenergie mit nahezu 100-prozentiger Effizienz in chemische Energie umzuwandeln. Der Schlüssel hierfür ist Geschwindigkeit – die Übertragung der Sonnenenergie findet fast augenblicklich statt, so daß nur wenig Energie als Wärme verloren wird. Wie die Photosynthese diesen fast momentanen Energie-Transfer schafft ist allerdings ein seit langem bestehendes Geheimnis, das möglicherweise nun endlich gelöst wurde:

Im April 2007 werden die Ergebnisse einer Studie der Universität von Kalifornien in Berkeley und dem Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Department of Energy veröffentlicht, der zufolge quantenmechanische Effekte der Grund für diese Effizienz sind. Die Wissenschaftler um Graham Fleming finden heraus, daß bei den Energie-Transfer-Prozessen der Photosynthese eine „bemerkenswert langlebige wellenförmige elektronische Quanten-Kohärenz“ eine wichtige Rolle spielt, die es dem System ermöglichen soll stets die effizientesten Energiepfade auszuwählen.

Photolyse

Ein weiterer Prozeß, der die Sonnenenergie nutzen kann, ist die Photolyse, mit der man sich am Hahn-Meitner-Institut für Kernforschung in Berlin beschäftigt. Dies ist ein Prozeß, bei welchem Wasser zu Wasserstoff reduziert wird, und die im Wasser enthaltene Kohlensäure zu Oxalsäure. Dem Wasser wird dabei als Sensibilisator für das einfallende Sonnenlicht Tetramethyl zugemischt. Doch trotz des Einsatzes von Seifenlauge als Elektronenschleuse konnte das Grundproblem bislang nicht gelöst werden, daß nämlich nach der Abgabe eines Elektrons aus dem Sensibilisator-Molekül dieses positiv geladen – und damit sei­ner Wirkung beraubt ist.

Photokatalyse

Des weiteren ist die Photokatalyse zu nennen, an der 2006 Forscher der Universität Hannover arbeiten. Dabei geht es um die Entwicklung von selbstreinigenden Materialien, durch deren Umsetzung  sich Milliarden sparen ließen. Hierbei fangen nanometergroße Titandioxidpartikel die ultraviolette Strahlung des Sonnenlichtes ein und nutzen sie für eine Reinemachaktion, in dem das Nanomineral mit Hilfe von Licht die chemische Zersetzung von organischen Stoffen beschleunigt. Mit der freigesetzten Energie werden chemische Bindungen in den anhaftenden Schmutzpartikeln geknackt, ob diese nun Fett oder Staub, flüssig oder fest sind. Oft bleibt nichts mehr übrig als Wasser und Kohlendioxid – der ‚Dreck’ löst sich buchstäblich in Luft auf. Anfang des Jahres beginnt eine Kooperation mit zwei Automobilunternehmen, um selbstreinigende Fahrzeugteile auszustatten, wobei sich das Interesse insbesondere auf die Frontscheibe und auf sicherheitsrelevante Teile wie den Abdeckungen der Frontscheinwerfer und Sensoren erstreckt.

Bereits 1968 entdeckten japanische Forscher an der Universität Tokio den aktiven Reinigungseffekt des Titandioxides. Doch erst in den späten 1990er Jahren stolperten sie zudem über einen passiven Reinigungseffekt. Wassertropfen zerfließen an Titandioxid schlagartig zu einem hauchdünnen Film, wodurch sich ein breiter Strom bildet, der den Staub mit sich fortreißt. Diese Superhydrophilie macht zusammen mit der Photokatalyse aus der Titanverbindung das ultimative Reinigungsmittel. Erst nach diesen beiden Entdeckungen wurde die Industrie auf den molekularen Saubermann aufmerksam.

Das Unternehmen Nano-X GmbH in Saarbrücken entwickelte beispielsweise selbstreinigende Fensterprofile, und das französische Unternehmen Saint- Gobain Glass verkauft seit 2004 selbstreinigendes Titandioxid-Fensterglas, und in Japan gibt es bereits selbstreinigende Teppiche und Polstermöbel, ja sogar Anzüge und Socken.

Ein Problem der Titandioxid-Reiniger, die nur etwa 3 % des Tageslichtes, nämlich den UV-A Anteil, nutzen, ist allerdings, daß sie im Innenraum, wo dieses ultraviolettes Licht fehlt, versagen. Einer Forschergruppe der Universität Erlangen ist es jedoch gelungen, die Partikel so zu modifizieren, dass sie sogar im sichtbaren Licht aktiv werden, in dem einige Atome Stickstoff oder Kohlenstoff in das mineralische Oxid eingeschleust werden, wodurch sich die Farbe der Teilchen von Weiß in ein schwaches Gelb wandelt. In diesem Fall schlucken sie dann auch sichtbares Licht und entfernen auch ohne UV-Strahlung Flecken jeder Art.

Darauf aufbauend bietet das Unternehmen Sto seit kurzem eine Wandfarbe mit kohlenstoffdotiertem Titandioxid an (‚Climasan’), die einen roten Farbstoff sogar bei schwachem Kunstlicht innerhalb von zehn Minuten zersetzt. Der positive Nebeneffekt: Auch Schadstoffe in der Raumluft werden vernichtet. Giftige chlorierte Phenole werden binnen fünf Stunden vollständig in ungefährliches Kohlendioxid und Wasser umgewandelt, und auch krebserregendes Formaldehyd und Dichlorethylen werden von der Wandfarbe aus der Raumluft gefiltert.

Die meiste Entwicklungsarbeit wird aber in die photoelektrische Nutzung gesteckt, in die Entwicklung von Siliziumzellen und ihre Geschwister und Verwandten und Nachfolger und Bekannte…. eine sehr große Familie, deren Mitglieder nun im Einzelnen betrachtet werden sollen.