Photosynthese: Der Traum vom künstlichen Blatt

Pflanzen können durch Photosynthese Treibstoff aus Licht und Kohlendioxid herstellen. Doch der Versuch, die Natur nachzuahmen, führt in die Irre.

Artikel veröffentlicht am 11. August 2016, 14:06 Uhr, Frank Wunderlich-Pfeiffer

Ein echtes Blatt. Künstliche Photosynthese ist kaum wirtschaftlich. (Bild: Jon Sullivan)

Es klingt nach einer guten Idee: eine Anlage, die in der Sonne steht und mit nichts als Wasser und Luft einen Tank mit Treibstoff füllt, der dann nur noch ins Auto gefüllt werden muss. Das ist künstliche Photosynthese, die Erzeugung von herkömmlichen Kraftstoffen aus Kohlendioxid und Licht. Zwei Paper in Nature und Science wecken in dieser Woche Hoffnung, diese Idee zu verwirklichen.

Beide Studien werden als Durchbruch in der künstlichen Photosynthese gehandelt. Aber die Sache ist komplizierter. Es wurden neue Katalysatoren entwickelt, die dank Oberflächenstrukturen im Nanometerbereich nur noch ein Hundertstel der Größe von herkömmlichen Katalysatoren haben. Doch ist diese Technik als Gesamtsystem auch praxistauglich?

Die einfachste Möglichkeit, aus Licht einen Treibstoff zu gewinnen, ist die Elektrolyse von Wasser. Allerdings hat der entstehende Wasserstoff eine sehr niedrige Dichte und lässt sich dadurch schlecht lagern. In der Natur erzeugen Pflanzen Kohlenwasserstoffe, die viel dichter und leichter lagerbar sind. Solche Kohlenwasserstoffe können auch künstlich aus Synthesegas hergestellt werden. Das ist eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die früher in großen Mengen bei der Kohlevergasung zur Herstellung von Stadtgas erzeugt wurde.

Kohlenmonoxid kann nicht nur aus Kohle, sondern auch aus Wasser, Kohlendioxid und Strom gewonnen werden. Der nötige Wasserstoff fällt dabei als Abfallprodukt auch noch an. Theoretisch lässt sich damit bereits künstliche Photosynthese mit Solarzellen betreiben. Praktisch muss aber auch der Nutzen den Aufwand rechtfertigen. Das gilt für die Kosten der nötigen Anlage genauso wie für die Energieeffizienz.

Schnellere Reaktionen mit Goldspitzen

Die bisher bekannten Katalysatoren für die Herstellung von Kohlenmonoxid aus Wasser und Kohlendioxid bestehen aus teuren Edelmetallen. Noch dazu läuft die Reaktion sehr langsam ab. Umso langsamer die Reaktion abläuft, desto größer und teurer muss aber der Katalysator sein, um Kohlenmonoxid aus einer gewissen Menge Strom herzustellen. Eine höhere Spannung hilft auch nicht. Dann wird nur noch Wasser gespalten, und das Kohlendioxid bleibt, wie es ist.

Neue und bessere Katalysatoren sollen Abhilfe schaffen. In Nature veröffentlichte in der letzten Wochen eine Gruppe von Forschern eine Arbeit, in der sie die Reaktionsgeschwindigkeit der Goldkatalysatoren im Vergleich zu früheren Versuchen um das Hundertfache steigern konnten. Dazu wird ein Katalysator aus Goldnadeln mit fünf Nanometer feinen Spitzen verwendet. Zuvor hatten die Forscher einen der Gründe für die langsame Reaktion am Katalysator gefunden: Es gelangte zu wenig Kohlendioxid an die Goldoberfläche, an der die Reaktion stattfindet.

Dabei kann die elektrisch geladene Oberfläche des Katalysators helfen, die Reaktionsprodukte abzustoßen und so mehr Kohlendioxid an die Oberfläche zu lassen. Der Effekt ist auf glatten Oberflächen nicht sehr stark. Aber an den feinen Goldspitzen entsteht eine besonders große Dichte der Feldlinien und damit eine viel höhere Feldstärke, ähnlich wie an einem Blitzableiter. Das starke elektrische Feld kann die Reaktionsprodukte auch stärker abstoßen und so lassen diese mehr Platz für das Kohlendioxid.