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Photosynthese Katalysator liefert CO2 freien Wasserstoff

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Nachbau der Photosynthese, Wasserstoffgewinnung ohne CO2 Belastung gibt es schon seit 3 Mio. Jahren

Ein Katalysator kann teilweise die Funktionen der anoxygenen Photosynthese nachahmen

Die Frage nach einer sicheren Energieversorgung stellt sich im Zeichen einer wachsenden Weltbevölkerung und höherem Energiebedarf der Menschen immer drängender. Seit der sicheren Erkenntnisse, dass die negativen Effekte der Energie Erzeugung auch negative Einflüsse auf die Umwelt und das Klima haben, wird in diesem Zusammenhang zusätzlich nach sauberen Formen der Energieerzeugung verlangt. Dabei ist das Problem der Vermeidung von CO2 angesichts der Klimaproblematik stark in den Vordergrund gerückt. Deshalb gibt es viele Ansätze, natürliche Energiequellen zu erschließen, die weder bei der Erzeugung noch bei der Verbrennung CO2 frei setzen. An erster Stelle versucht man deshalb, das Sonnenlicht, mit neuen innovativen Techniken als Energiequelle zu erschließen.


Chloroplasten in den Blättern sorgen bei Licht für oxygene Photosynthese

Erzeugung von Solar Strom mit Problemen

An erster Stelle, die Sonne direkt für die Energieerzeugung zu nutzen, ist die Erzeugung von Strom mit photovoltaischen Zellen, mit denen das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie also Strom umgewandelt werden kann. Aber ganz gleich welcher Methoden zur Nutzung der Sonnenenergie man sich bisher bedient hat, immer wurde auch die problematische Eingliederung dieser Energie in die vorhandenen Nutzungsstrukturen und -gewohnheiten klar.

Erstens benötigt die moderne Zivilisation Energie rund um die Uhr. Das bedeutet, dass für Zeiten an denen die Sonne nicht scheint, eine alternative Energiequelle zur Verfügung stehen muss.
Zweitens wird die Energie nicht nur an den Stellen benötigt, wo es einen direkten Lichteinfall der Sonne gibt. Die Energie muss also in einer Form vorhanden sein, dass sie ortsunabhängig verfügbar ist.
Drittens muss die Energie für die verschiedenen Anwendungen in unterschiedlicher Intensität genutzt werden können. Für so genannte Prozesswärme muss die Energie ausreichen, um auf einfache Art und Weise höhere Temperaturen zu erreichen, als zur Erzeugung von Wärme wie sie zur Heizung von Wohnräumen benötigt wird.

Die aus Licht gewonnene Energie muss deshalb speicherfähig sein, damit sie immer zur Verfügung steht. Sie muss aber auch transportabel sein, um an jedem Ort genutzt werden zu können.. Schließlich muss sie in einer Form vorhanden sein, um auch verschiedene Temperatur Niveaus erreichen zu können.

Vorteile der künstlichen Photosynthese zur Energiegewinnung

Die Menge an Energie, die Pflanzen täglich aus Sonnenlicht gewinnen und nutzen, übertrifft vielfach den Bedarf an Energie, den die gesamte menschliche Zivilisation auch noch in ferner Zeit haben wird. Deshalb ist der größte bekannte und in der Natur der Erde vorkommende Prozess der Energiegewinnung, die Energiegewinnung der Pflanzen durch die Photosynthese. Sie ist einer der ältesten biologische Prozesse auf der Erde, der sich seit über drei Milliarden Jahren bewährt hat.

Die Energiequelle der Pflanze sitzt in ihren Blättern. Die Blätter enthalten mikroskopisch kleinen Antennen, die in der Lage sind, Lichtenergie aufzunehmen. Dann kombiniert die Pflanze Kohlendioxid, das sie aus der Luft aufnimmt, mit dem in der Pflanze enthaltenen Wasser. Zusätzlich wird noch das Chlorophyll, der grüne Pflanzenfarbstoff als Katalysator benötigt. Mit der aus dem Sonnenlicht gewonnenen Energie und Hilfe des Chlorophylls an Katalysator setzt die Pflanze dann eine chemische Reaktion zwischen dem Kohlendioxid und dem Wasser in Gang. Das Resultat dieser chemischen Reaktion sind drei neue Stoffe: Zucker, den die Pflanze als Nahrung und Energieträger nutzt, Sauerstoff, den die Pflanze frei lässt und der Menschen und Tieren zum Atem dient sowie schließlich zur Energiespeicherung gedachte Wasserstoff.

Genau um diesen Wasserstoff dreht es sich, wenn man die Photosynthese zur Erzeugung von Energie nutzen will, denn Wasserstoffgas ist ein hervorragender, praktischer Energieträger. Er kann gut in Tanks gespeichert werden und in Druckgefäße gepresst, lässt sich auch ohne besonderen Aufwand eine hohe Energiedichte erreichen. Wegen seiner Speicherfähigkeit ist Wasserstoff auch gut transportabel, und das ohne größere Gefahren, wie man sie zum Beispiel von der Lagerung von Benzin her kennt. Hinzu kommt, dass Wasserstoffgas problemlos sowohl zur Erzeugung von Prozesswärme, also zur Gewinnung von Heizungswärme einsetzbar ist. Neben der Gewinnung von Energieträgern ist bei diesem Verfahren aber besonders bestechend, dass bei seiner Herstellung CO2 nicht erzeugt, sondern verbraucht wird.

Internationales Forschungsnetzwerk wird in Jena koordiniert

Prof. Benjamin Dietzek am Institut für Photonische Technologien in Jena koordiniert aus Wissenschaftlern und Forschungsinstitutionen bestehendes ein Netzwerk zur weiteren Erforschung der Photosynthese. Wegen der vielen Vorteile der Wasserstoffgewinnung durch nachgeahmte Photosynthese wird untersucht, ob eine photokatalytischen Spaltung, also Wasser mit Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten, auch in industriellem Maßstab möglich ist. Bisher ist das nur ansatzweise im Labormaßstab gelungen. Um bei diesen Forschungen zu Erfolgen zu kommen, ist in ganz besonderem Maße interdisziplinäres Arbeit über Länder Grenzen hinweg erforderlich, die in Jena vom Institut für Photonische Technologien koordiniert wird.

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