Grundlagenforschung: Biologische Solarzellen denkbar

23.03.2023 – So gut wie alles Leben ist direkt oder indirekt von der Umwandlung von Lichtenergie durch Pflanzen, Algen oder bestimmte Bakterien abhängig, die aus dem Kohlenstoffdioxid der Atmosphäre Biomasse herstellen. Genauer: Bei der Photosynthese werden durch die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und Wasser mithilfe von Lichtzufuhr Zuckermoleküle und Sauerstoff erzeugt. Auch sämtliche fossile Energieträger wie Kohle, Öl oder Gas basieren letztendlich auf der Energieumwandlung durch photosynthetische Organismen.

Ein Forschungsteam der Universität Cambridge, der Universität Rostock sowie der Ruhr-Universität Bochum untersucht die molekularen Grundlagen der Photosynthese und versucht auf dieser Basis biologische Lösungen zur Umwandlung und Speicherung von Energie zu konzipieren. „Wir wollen in einem interdisziplinären Ansatz beispielsweise Hybridsysteme entwickeln, die mithilfe biologischer Katalysatoren und Lichtenergie Wasserstoff als Energieträger produzieren“, erklärt Marc Nowaczyk, Leiter des Lehrstuhls für Biochemie an der Universität Rostock und Ko-Autor der Studie.

Biologische Katalysatoren, sogenannte Enzyme, bestimmen längst unseren Alltag. Sie werden beispielsweise als Zusätze in Waschmitteln verwendet, sie veredeln Lebensmittel oder werden in großtechnischen Prozessen eingesetzt, um Medikamente oder Rohstoffe für die chemische Industrie zu produzieren. Im Vergleich zu chemischen Katalysatoren haben sie den Vorteil, dass sie nur mit ganz bestimmten Ausgangstoffen reagieren und daher sehr spezifische Produkte herstellen. Zudem basieren biologische Katalysatoren niemals auf Edelmetallen oder anderen seltenen Rohstoffen. „In der Natur haben sich immer Lösungen durchgesetzt, die nicht durch die Verfügbarkeit von Rohstoffen limitiert sind“, erklärt Nowaczyk.

Um jedoch mithilfe biologischer Katalysatoren und Lichtenergie Wasserstoff zu produzieren, ist ein genaues Verständnis der Funktionsweise der an der Photosynthese beteiligten Biokatalysatoren, der sogenannten Photosysteme notwendig. Bei der genauen Analyse machten die Forscher und Forscherinnen eine bahnbrechende Entdeckung. Erstmals gelang es, Elektronen direkt aus den Anfangsstadien der Photosynthese zu gewinnen.

Modell der Photosynthese grundlegend erweitert

Bisher war man davon ausgegangen, dass die Photosysteme durch ihr Konstruktionsprinzip zwangsläufig hohe Energieverluste aufweisen müssten. Während die ersten Schritte der Energieumwandlung noch hocheffizient sind (bis zu 99 Prozent), geht ein Großteil der Energie bereits auf der Ebene der Fotosysteme durch den Transport von Elektronen verloren (etwa 60 Prozent Energieverlust).

Am Ende des Prozesses liegen je nach Organismus weniger als ein Prozent der ursprünglichen Lichtenergie chemisch gebunden vor. In der vorliegenden Studie konnte jedoch gezeigt werden, dass die hohen Verluste prinzipiell vermieden werden könnten. Denn mit ultraschneller Spektroskopie wurde nachgewiesen, dass bestimmte synthetische Mediatoren – kleine chemische Vermittlermoleküle – Elektronen zu einem viel früheren Zeitpunkt aus den Photosystemen abgreifen können als bisher gedacht.

„Unsere Ergebnisse ermöglichen völlig neue Konzepte für das Design von biologischen Solarzellen, wodurch sich – zumindest theoretisch – die Effizienz deutlich verbessern ließe“, stellt Marc Nowaczyk in Aussicht. Bis dies tatsächlich in der Praxis Anwendung finden wird, sei es aber noch ein längerer Weg und erfordere weitere Forschung. pf