Kraftwerk Pflanze: Treibstoff von der Natur-Tankstelle

Professor Holger Dau hat eine Vision: Ein Gerät, das einfaches Wasser und Kohlendioxid aus der Luft mithilfe von Sonnenlicht in Brennstoff umwandelt. Es könnte überall stehen und Heizungen versorgen oder Motoren. „Das würde das Speicherproblem für Solarenergie lösen“, sagt der Biophysiker der Freien Universität Berlin. „Und die Umwelt entlasten, indem fossile Brennstoffe ersetzt werden.“

Es ist ein Prinzip, dass die Natur seit Milliarden von Jahren nutzt, und zwar in globalem Maßstab: Mithilfe der Photosynthese erzeugen Pflanzen und Algen aus CO2, Wasser und Sonnenlicht Kohlenhydrate, also die organischen Stoffe, von denen sie selbst und das ganze Ökosystem des Planeten leben. Als „Abfallprodukt“ entsteht dabei Sauerstoff, den Menschen und Tiere wieder einatmen und zu CO2 verstoffwechseln, das sie ausatmen und das so wieder als „Baustein“ für die Photosynthese zur Verfügung steht.

„Die künstliche Photosynthese könnte einen ebenso geschlossenen Kreislauf im globalen Maßstab ermöglichen“, sagt Dau. Mit zwei Fachkollegen hat der Berliner Forscher nun ein Sachbuch zum Thema verfasst. Der Biophysiker erforscht die Photosynthese schon seit zwei Jahrzehnten, insbesondere einen ihrer Schlüsselprozesse: Die Oxidation von Wasser, also jene Reaktion, bei der unter Lichteinfall Wasser in Sauerstoff und Wasserstoffionen gespalten wird.

Dem Nass werden dabei Elektronen entzogen, die für den Aufbau der organischen Stoffe benötigt werden. Ein natürlicher Katalysator, der sogenannte Mangan-Komplex, beschleunigt diese Reaktion. „Aus dieser Forschung entstand die Idee, Katalysatoren zu entwickeln, die die künstliche Wasserspaltung effizienter machen“, sagt Dau. „Wir wollen sogar besser werden als die Natur.“

Die künstliche Photosynthese soll effizienter werden

Denn besonders effizient ist die natürliche Photosynthese nicht. Nur rund ein Prozent des Sonnenlichts, das etwa auf die Blätter einer Pflanze fällt, werden durch die Photosynthese in Form von chemischen Verbindungen gespeichert. „Durch weit höhere Effizienz wollen wir erreichen, dass die künstliche Photosynthese möglichst wenig Fläche für das Einfangen der Sonnenenergie benötigt.“

Das natürliche Vorbild einfach zu kopieren und zu optimieren geht jedoch nicht. „Dafür ist es viel zu komplex“, sagt Dau. Es gehe darum, die Prinzipien der Photosynthese anzuwenden. Sie wird von vier Schlüsselprozessen geprägt: Zunächst wird das Licht absorbiert. Dann wird seine Energie zur Trennung elektrischer Ladungen genutzt. Im nächsten Schritt wird Wasser gespalten. Mithilfe der dabei gewonnenen energiereichen Elektronen wird dem CO2 schließlich der Sauerstoff entrissen (Reduktion von CO2), um so den Kohlenstoff als Baustein für komplexe Moleküle verfügbar zu machen.

Daus Team erforscht neben der Wasserspaltung auch die CO2-Reduktion. „Als Katalysatoren nutzen wir Festkörper, die mit ihrer Stabilität die Lebensdauer erhöhen sollen“, erklärt der Forscher. Dabei haben die Berliner Forscher die Energieverluste im Blick, die bei der Katalyse unweigerlich anfallen. „Diese wollen wir minimieren“, sagt Dau.

Das Ziel: Katalysatoren die CO2 aus der Luft nehmen

Außerdem arbeiten die Wissenschaftler daran, die meist für die Katalyse genutzten teuren Edelmetalle wie Platin oder Iridium durch billigere, leicht verfügbare Metalle zu ersetzen: etwa Eisen, Nickel, Kobalt oder Mangan. Das Fernziel ist noch ambitionierter: Katalysatoren, die CO2 aus der Luft nehmen. Bislang muss das Treibhausgas vorher konzentriert werden.

Einzelne Prozess-Schritte der künstlichen Photosynthese würden bereits heute eingesetzt, sagt Dau. So gebe es Technologien zur Speicherung beziehungsweise Nutzung von Stromüberschüssen etwa aus Solarenergie in sogenannten Power-to-X-Anlagen. Dort werde mithilfe der gespeicherten elektrischen Energie Wasserstoff oder Methan hergestellt und dafür oft CO2 verbraucht. „Das wäre eine sehr pragmatische Lösung“, sagt Dau, „da das vorhandene Erdgasnetz zur Verteilung der hergestellten Stoffe genutzt werden kann.“

Zudem könnten solche Anlagen Wertstoffe wie Methanol für die chemische Industrie produzieren, die sonst aus Erdgas oder Erdöl gewonnen werden. In einem mittelfristigen Schritt könnten die Power-to-X-Anlagen miniaturisiert werden, um mit lokal vorhandenem Photovoltaik-Strom Heizstoffe oder Treibstoffe herzustellen. „Der Brennstoff würde somit lokal produzierten Sonnenstrom speichern“, sagt der Forscher. Außer für die Umwelt könnte sich die künstliche Photosynthese also auch für die Wirtschaft rechnen, insbesondere, wenn die bereits politisch angedachte Besteuerung von Kohlendioxid-Ausstoß komme.

Das Berliner Team betreibt Grundlagenforschung. „Doch wir verstehen immer besser, wie die Katalysatoren arbeiten“, sagt Dau. „So kommen wir nach und nach zu einer wissensbasierten Optimierung.“ Eine Anlage, die wie ein „künstliches Blatt“ arbeitet, das an einem Ende CO2 aus der Luft „einatmet“ und am anderen fertigen Treibstoff abgibt, sieht Dau – obwohl im Labor mit niedriger Effizienz bereits verwirklicht – noch in weiter Ferne. Doch die Wissenschaft arbeitet mit Hochdruck an Antworten auf die ungelösten Fragen. Denn die Zeit drängt. „Der Klimawandel“, sagt Dau, „ist ein Problem, das schnelle Lösungen erfordert.“