Zeitung Heute : Die Natur als Vorbild

Künstliche Fotosynthese soll Wasserstoff erzeugen

Heiko Schwarzburger

Für viele Branchen gilt Wasserstoff mittelfristig als entscheidender Energieträger. Er soll Benzin, Diesel oder Kerosin ablösen, wenn die Quellen für Erdöl und Erdgas versiegen. Das Problem dabei: „Wasserstoff wird überwiegend aus Methan gewonnen, das ein Bestandteil von Erdgas ist“, sagt der Chemiker Ingo Zebger. Er forscht an der TU Berlin an einem Verfahren, den Wasserstoff auf andere Weise zu gewinnen und zur Stromerzeugung zu verwenden.

Die Natur macht es jeden Tag milliardenfach vor: Bei der Fotosynthese im Blattgrün der Pflanzen entstehen aus Licht, Wasser und dem Kohlendioxid in der Atmosphäre die lebenswichtigen Kohlenhydrate und Sauerstoff. Im ersten Schritt wird das Wasser mit Hilfe komplizierter Biomoleküle und Sonnenlicht in Wasserstoffionen (Protonen), Elektronen und Sauerstoff zerlegt. Andere Biomoleküle, die Hydrogenasen, können aus Protonen und Elektronen Wasserstoff bilden. „Wir wollen diese beiden Prozesse miteinander koppeln, dann haben wir eine biologische Wasserstoffquelle“, sagt Zebger. „Die Hydrogenasen können auch umgekehrt Wasserstoff in Protonen und Elektronen spalten. Dies wäre eine biologische Brennstoffzelle.“

Der Chemiker gehört zu einer Gruppe von Wissenschaftlern, die sich unter dem Dach des Exzellenzclusters „Unicat“ zusammengetan haben. Sie wollen die molekularen Abläufe in den Pflanzen verstehen und die komplexen Enzyme künstlich nachbauen. So versuchen sie, drei komplexe Molekülknäuel – zwei so genannte Fotosysteme und eine Hydrogenase – zu kombinieren, um Wasserstoff zu produzieren. Die Details der chemischen Reaktionen, der Weg der Lichtphotonen und der Elektronen durch die Moleküle, sind aber noch längst nicht aufgeklärt. Deshalb nutzen die Forscher große Spektrometer, Lasertechnik und starke Magnetfelder, um die Moleküle zu beobachten und Modellsysteme zu entwickeln. „Wir testen ein Enzym, das bei der lichtinduzierten Spaltung von Wasser eine herausragende Rolle spielen könnte“, sagt Zebger. Außerdem könne es in Gegenwart von Luft Wasserstoff bilden. Deshalb soll es in die Fotosystem-Proteine, die als Leiter für die abgespaltenen Elektronen fungieren, eingebaut werden.

Das Enzym wird beispielsweise von bestimmten Bakterien im Boden genutzt, um Wasserstoff als Energiequelle zu verwenden. „Mit Hilfe unserer Geräte können wir es analysieren und optimieren, um die Ausbeute zu erhöhen.“ Anders als herkömmliche Brennstoffzellen, in denen Wasserstoff zur Stromerzeugung eingesetzt wird, kommt die biologische Brennstoffzelle ohne teures Platin aus.

Die Forscher an der TU Berlin nutzen auch Laserlicht, um das Enzym und seine Wirkungsweise aufzuklären. Die Physikerin Inez Weidinger zielt über eine komplizierte optische Apparatur mit Lasern auf die vergleichsweise großen Biomoleküle, um das katalytische Zentrum des Enzyms zu finden. „Das ist, als sucht man die Nadel im Heuhaufen“, sagt sie. Spannend ist auch die Frage, wie die Natur die Elektronen, die bei der Fotosynthese entstehen, weiterleitet und nutzt.

Bisher haben die Wissenschaftler mit Biomolekülen gearbeitet, die in einer Lösung schwammen. Jetzt docken sie die Proteine auf einer Goldfläche an, nur wenige Millionstel Millimeter dünn. Dazu brauchen sie vor allem Geduld und Fingerspitzengefühl. Die Goldfilme herzustellen, ist klassische Laborarbeit. Die Proteine aufzubringen, dauert ein bis zwei Tage. Zwei bis drei Stunden braucht man, bis die Lasertechnik justiert ist. „Die Analyse der Probe nimmt nur wenige Sekunden in Anspruch“, erzählt Weidinger. „Dann sind die Ergebnisse im Computer.“ Der Rechner spuckt Diagramme aus, Formeln und Zahlenkolonnen. Anschließend beugen sich die Forscher über die Resultate, um die nächsten Proben und die nächsten Messungen vorzubereiten. „Eine Brennstoffzelle mit solchen Enzymen für wissenschaftliche Zwecke wurde von unseren Partnern in Oxford entwickelt.“, sagt Peter Hildebrandt, Professor an der TU Berlin, der die Biokatalyse bei Unicat koordiniert. „Das könnte der Einstieg in die biotechnologische Produktion von Wasserstoff und die Stromerzeugung aus Biomolekülen sein.“ Heiko Schwarzburger

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