Nachhaltige Kraftstoffe mithilfe von Seifenfilmen und Sonnenlicht erzeugen
Solarenergie gilt als vielversprechendste alternative Energiequelle zu schädlichen fossilen Brennstoffen, doch ihre Speicherung gestaltet sich derzeit ineffizient. Die beste Möglichkeit, sie zu speichern, ist in solaren Brennstoffen. Bei der künstlichen Photosynthese handelt es sich um eine synthetische Nachahmung der Photosyntheseprozesse in Pflanzen, die aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid solare Brennstoffe erzeugen kann. Forschende auf der ganzen Welt suchen nach neuen Werkstoffen, um die künstliche Photosynthese effizient und in großem Maßstab durchzuführen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts SoFiA haben Forschende einen innovativen Ansatz mit Seifenfilmen entwickelt. Die eigens dafür entwickelten Blasen sind mit Kohlendioxid gefüllt, aus dem bei Sonneneinstrahlung solare Brennstoffe und Ausgangsstoffe für die chemische Industrie entstehen. Das Projektkonzept und der Reaktorentwurf wurden von SoFiA-Projektleiter Indraneel Sen, dem Gründer von Wasabi Innovations, erstellt. Im Laufe von 54 Monaten wurden diese Konzepte getestet, wissenschaftliche Grundlagen geschaffen und in einem intensiven kollaborativen Lernprozess, an dem neun Partnerorganisationen beteiligt waren, technische Demonstratoren und Modellsimulationen erschlossen. „Das Projekt erwies sich sowohl in wissenschaftlicher als auch in technischer Hinsicht als sehr erfolgreich“, sagt Leif Hammarström, Professor an der Fakultät für Chemie der Universität Uppsala in Schweden und SoFiA-Projektkoordinator.
Pflanzenstrukturen nachahmen
Sowohl die Photosynthese in Pflanzen als auch künstliche Solarzellen absorbieren Sonnenlicht und nutzen diese Energie, um Elektronen (positive Ladungen) und „Löcher“ (negative Ladungen aufgrund fehlender Elektronen) zu trennen. Bei der Photosynthese werden Elektronen von einem Molekül auf ein anderes übertragen, woraus ein hochenergetischer geladener Zustand entsteht. Durch eine Kettenreaktion wird die Energie der Elektronen genutzt, um aus Kohlendioxid energiereiche Verbindungen herzustellen. Bei der Oxidation von Wasser zu Sauerstoff werden diesem System neue Elektronen zugeführt. „In Pflanzen werden dabei Verbindungen wie Zucker hergestellt, aber bei der künstlichen Photosynthese zielen wir auf einen flüssigen Brennstoff wie Alkohol oder Synthesegas für die Industrie ab“, kommentiert Hammarström. Die größte Herausforderung bei der künstlichen Photosynthese besteht darin, die „Rekombination“ von Ladungen aus dem hochenergetischen Zustand zu vermeiden, ähnlich wie beim Kurzschließen einer Batterie. Die photosynthetische Membran in grünen Pflanzen hält die „Elektronen“ und „Löcher“ auseinander, um dies zu verhindern. „Unsere Idee war, dass ein Seifenfilm auf analoge Weise funktionieren könnte“, fügt Hammarström hinzu. In einem Blasenpaar enthält eine die Moleküle, die den Brennstoff herstellen, die andere die Moleküle, die dem Wasser neue Elektronen entziehen. Der Film zwischen den miteinander verbundenen Blasenpaaren wirkt wie eine Gastrennmembran, durch die Elektronen und Protonen fließen können.
Fortgeschrittene Grundlagenforschung
Das Projektteam entwickelte mehrere technische Lösungen, um die grundlegende Struktur und Funktion der Luft-Wasser-Grenzflächen und Seifenfilme zu untersuchen. Die Forschenden demonstrierten auch gut organisierte, sich selbst regenerierende Züge von Blasenpaaren. „Wir konnten belegen, dass es möglich ist, einen asymmetrischen Seifenfilm zu erzeugen und für mindestens 10 Minuten aufrechtzuerhalten, was für eine Rundreise in unserem Gerät ausreicht“, sagt Hammarström. „Wir haben zudem ein ziemlich ausgeklügeltes Gerät hergestellt und erprobt, das einen kontinuierlichen Blasenstrom erzeugt, der als eine Reihe von Blasenpaaren nebeneinander fließt.“ Obwohl das Team keine vollständige künstliche Photosynthese in den Geräten nachweisen konnte, wies die Analyse im Projekt einen klaren Weg für die Forschenden, um sie schließlich zu einer praktikablen Technologie fortzuentwickeln. Das Team sucht nun nach Finanzierungsmöglichkeiten, um einige der grundlegenden Probleme zu lösen, die projektintern aufgedeckt wurden.
Schlüsselbegriffe
SoFiA, künstlich, Photosynthese, Blase, Energie, Solar, Speicher
