Der Weg zur künstlichen Photosynthese

Molekülantennen fangen Sonnenlicht auf: Schlüssel für den kommerziellen Erfolg liegt im gezielten Design lichtaktiver Farbstoffe

Molekülantennen
Molekülantennen

Toronto (Kanada)/London (Großbritannien) - Besser als Solarzellen sollen winzige Farbstoffmoleküle künftig die Energie des Sonnenlichts einfangen. Nach dem Vorbild der natürlichen Photosynthese könnten dann millionstel Meter kleine Molekülantennen die Basis für eine hocheffiziente Energiequelle bilden. Dazu identifizierte ein internationales Forscherteam nun die wichtigsten Hürden, die auf dem Weg zu einer künstlichen Photosynthese überwunden werden müssen. Ihre Art "Roadmap" für eine solare Energieversorgung, die neben Strom auch Treibstoffe bereitstellt, präsentierten sie in der Fachzeitschrift "Nature Chemistry".

"Die künstliche Photosynthese sollte innerhalb der nächsten zwanzig Jahre Energie in einem kommerziellen Maßstab liefern können", ist Graham Fleming von der University of California in Berkeley überzeugt. Grund für diesen Optimismus liefern Ergebnisse, die zusammen mit Forschern der Universitäten in Toronto und London erzielt werden konnten. Man fand heraus, wie in dem natürlichen Lichtfänger der Blätter oder Grünalgen - dem Chlorophyll - quantenmechanische Prozesse die Umwandlung des Sonnenlichts in energiereiche Zuckermoleküle einleiten. Sowohl der Aufbau als auch die Struktur winziger Molekülantennen, der sogenannten LHCII-Komplexe, spielen dabei eine entscheidende Rolle.

"Während eines sonnigen Tages strahlen pro Sekunde mehr als hundert Millionen Milliarden rote und blaue Lichtteilchen auf ein Blatt ein", sagt Alexadra Olaya-Castro vom University College London. Innerhalb des extrem kurzen Zeitraums von einer milliardstel Sekunde wird dabei in Blättern die Sonnenenergie eingefangen und für den Aufbau von Proteinen und Zuckermolekülen nutzbar gemacht. Mit künstlichen Sonnenfängern im Labor funktioniert dieses Aufsammeln des Sonnenlichts noch nicht so effizient wie in der Natur. Doch durch die Aufklärung der natürlichen Wandlungsprozesse in Blättern hoffen die Forscher, dieses Problem schon bald lösen zu können.

Einige technisch nutzbare Kandidaten für molekulare Lichtfänger, die sogenannten Chromphore, gibt es bereits. Wichtig dabei ist, dass diese das Sonnenlicht in all seinen Farben sehr gut einfangen können. In einem zweiten Schritt sollen dann Computersimulationen und theoretische Modelle helfen, die optimale Anordnung für diese Lichtfänger zu finden. Dabei gilt es, die eingefangene Energie für einen längeren Zeitraum als bei den natürlichen Grünpflanzen zwischenzuspeichern. Gelingt dieser Schritt, lockt eine künstliche Photosynthese, die zur Erzeugung von Strom, Wasserstoff oder eben auch von Zuckermolekülen und damit für verwertbare Treibstoffe taugen könnte.