Nutzung der halbkünstlichen Photosynthese zur Herstellung nachhaltiger Chemikalien und Brennstoffe
Die Photosynthese ist eine uralte Maschinerie, die der Energiegewinnung dient. Seit Jahrmilliarden nutzen Pflanzen Sonnenlicht, Wasser und winzige Konzentrationen von Kohlendioxid aus der Atmosphäre, um Brennstoff in Form von Zuckern zu erzeugen. Künstliche Photosynthese nutzt die gleichen Prinzipien, aber mit künstlichen Materialien. Beide Prozesse haben Vorteile und Grenzen: Natürliche Systeme sind in ihrer Effizienz begrenzt, synthetische in dem, was sie produzieren können – so sind wir noch weit davon entfernt, Zucker erzeugen zu können. Die halbkünstliche Photosynthese versucht, das Beste aus beiden Welten zu vereinen. Sie nutzt Enzyme aus natürlich vorkommenden Organismen wie etwa Bakterien und integriert sie als Katalysatoren in synthetische Systeme. Daraus erwachsen neue Strategien für die Entwicklung hocheffizienter Technologien zur Umwandlung von Sonnenenergie in nachhaltige chemische Brennstoffe. „Wenn wir bis 2050 Klimaneutralität erreichen wollen, reicht es nicht aus, viel Strom aus erneuerbaren Energien zu produzieren. Irgendwann müssen auch petrochemische Anlagen und Kunststofffabriken nachhaltig werden“, erklärt Erwin Reisner, Professor für Energie und Nachhaltigkeit an der Universität Cambridge und MatEnSAP-Projektkoordinator. „Wir wollen dazu beitragen, den Übergang von einer fossil betriebenen chemischen Industrie zu einer solar betriebenen oder zumindest umweltfreundlichen chemischen Industrie zu vollziehen“, sagt er. Das Projekt MatEnSAP wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanziert und erkundete neue biologische Katalysatoren, die in die künstliche Photosynthese integriert werden können. Damit legte es den Grundstein für den Bereich der halbkünstlichen Photosynthese.
Bakterien als Katalysatoren
MatEnSAP testete eine Reihe potenzieller Enzyme aus biologischen Organismen, die möglicherweise die künstliche Photosynthese fördern könnten. Es konnte gezeigt werden, dass einige dieser Enzyme Kohlendioxid fast ohne Energieverlust in sauberen Brennstoff umwandeln können – eine Leistung, die mit synthetischen Katalysatoren derzeit nicht möglich ist. Das Team arbeitete auch an Möglichkeiten zur Charakterisierung der Organismen, um die am besten geeigneten zu finden. „Sie alle haben sehr unterschiedliche Eigenschaften“, sagt Reisner. „Es hat ein paar Jahre gedauert, bis wir einen gefunden haben, der wirklich gut in unseren Systemen funktioniert.“ Das Team stellte dann eine Reihe von Komponenten her, um die Lebensfähigkeit der halbkünstlichen Photosynthese zu zeigen, darunter elektrochemische Reaktoren, Lichtabsorber und Polymere.
Poröse Gerüste
Eine wichtige Entwicklung im Rahmen des Projekts war die Schaffung von „porösen Gerüsten“ aus Metalloxiden, welche die Enzyme aufnehmen. Die Größe der Poren kann so angepasst werden, dass sie perfekt zu den Enzymen passen. Sie können übereinander gestapelt werden und steigern die Reaktionen innerhalb des Systems. Die von den Solarpaneelen erzeugten Elektronen können direkt in die Enzyme eingespeist werden und so die Brennstoffsynthese aus Kohlendioxid mit Sonnenlicht vorantreiben. „All dies wird durch das Gerüst erleichtert. Wir haben das mit einer Reihe von verschiedenen Verfahren bestätigt, die wir im Rahmen des Projekts entwickelt haben“, sagt Reisner.
Auf dem Weg zu einer nachhaltigen chemischen Industrie
Das Team untersuchte die Verwendung dieser Organismen für andere Reaktionen, einschließlich der Abfallverwertung. Die Mitwirkenden arbeiten an der Herstellung nachhaltiger Chemikalien aus Kunststoffabfällen und befinden sich in einem frühen Stadium der Gründung eines auf diesem Verfahren basierenden Start-ups. Die Arbeit von MatEnSAP wird im Rahmen eines anderen ERC-finanzierten Projekts, SolReGen, fortgesetzt. MatEnSAP etablierte die halbkünstliche Photosynthese als ein aufstrebendes Forschungsgebiet mit technologischer Relevanz. Dieser Forschungsansatz wird derzeit mit zahlreichen Forschungsprojekten in der ganzen Welt ausgebaut, insbesondere im Bereich der solaren Brennstoffe. „Das ist jetzt ein sehr schnell wachsendes Forschungsgebiet“, fügt Reisner hinzu. „Vom Standpunkt der akademischen Wirkung aus betrachtet, denke ich, dass es sicherlich sehr erfolgreich war.“
Schlüsselbegriffe
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