Biologische Solarzelle für künstliche Photosynthese

Grünpflanzen wandeln Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid über die Photosynthese in energiereiche Kohlenhydrate und Sauerstoff um. Weltweit wird an Methoden geforscht, um nach diesem Vorbild eine künstliche Photosynthese für die Strom- und Treibstoffgewinnung zu entwickeln. Wissenschaftler aus Israel und Deutschland kamen diesem Ziel nun einen Schritt näher. Wie sie in der Zeitschrift „Nature Energy“ berichten, konnten sie die lichtabsorbierende Komponente von Cyanobakterien mit einer Elektrode für die biokatalytische Stromgewinnung koppeln.

Schematischer Ablauf der künstlichen Photosynthese, der die verschiedenen Komponenten der Zelle zeigt. Rechts ein Biomasse Substrat, dass Elektronen an ein Relay-Element weitergibt. Dieses gibt die Elektronen an das Photosystem I weiter auf das durch eine Sonne dargestellt Licht fällt. Dieses gibt Elektronen an ein weiteres Relay-Element weiter, das wiederum die Elektronen an eine Elektrode weitergibt, wo Strom abgegriffen werden kann.
Künstliche Photosynthese

„Wir haben die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom mit einer photobioelektrochemischen Zelle erreicht, in der wir das lichtabsorbierende Photosystem I und Enzyme mit einer Elektrode koppelten“, sagt Itamar Willner von der Hebräischen Universität in Jerusalem. Zusammen mit seinen Kollegen isolierte er dazu den Lichtsammel- und Reaktionskomplex des Photosystem I aus Cyanobakterien. Dieser ließ sich mit einem Polymer und Nanoteilchen aus Platin über Sauerstoffmoleküle an eine Elektrode andocken. Fiel nun Sonnenlicht auf diese Zelle, konnten Glukosemoleküle in Gegenwart von speziellen Enzymen in Gluconsäure umgewandelt werden. Die dabei freigesetzten Elektronen wanderten zur Elektrode und ließen sich in einen Stromkreis einspeisen.

Mit einem noch geringen Wirkungsgrad von etwa einem Prozent kann eine solche biologische Solarzelle nicht mit Modulen aus Silizium oder Perowskiten konkurrieren. Doch für die weitere Entwicklung der künstlichen Photosynthese, bei der aus Sonnenlicht direkt Energieträger wie etwa Wasserstoff gebildet werden können, ist die erfolgreiche Verknüpfung des biologischen Photosystem I mit einer anorganisch, technisch nutzbaren Elektrode von großer Bedeutung. Auf dieser Grundlage ist es nicht unwahrscheinlich, dass diese spezielle Art von biotechnischen Solarzellen höhere Wirkungsgrade erreichen werden.