S.Wissenschaftler versuchen seit Jahren, den Prozess nachzuahmen, den Pflanzen in großem Maßstab bei der Photosynthese anwenden: die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Sie haben seitdem beachtliche Erfolge erzielt. Die bisherigen Systeme sind noch nicht effizient genug oder zu teuer, wenn sie beispielsweise den Energieträger Wasserstoff klimaneutral erzeugen und dann den Kohlendioxid Prozess (CO₂) aus der Atmosphäre zu leichten Kohlenwasserstoffen. Eine künstliche Photosynthese lohnt sich daher für eine großtechnische Anwendung noch nicht. Ein weiterer Nachteil: Wasserstoff und andere Chemikalien können nur tagsüber bei Sonnenschein photochemisch hergestellt werden.
Das kann sich aber bald ändern. Eine deutsch-irische Forschungsgruppe hat jetzt ein molekulares Speichergerät entwickelt, das tagsüber Sonnenenergie sammelt, einige Stunden speichert und bei Bedarf freisetzen kann. Die Idee ist, dass Sonnenenergie auch nachts zur Erzeugung von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen zur Verfügung steht.
Die Natur hat das Tag-Nacht-Problem bereits gelöst. Pflanzen können auch die tagsüber durch Photosynthese gewonnene und nachts in chemischen Bindungen gespeicherte Sonnenenergie nutzen. Es gibt bereits Halbleitermaterialien, die als Speicher für Solarenergie verwendet werden können. Die Aufbewahrungszeiten sind jedoch in der Regel zu kurz für die Anwendungen. Es wäre ideal, wenn genügend Zeit vorhanden wäre, um die tagsüber absorbierte Sonnenenergie wiederzuverwenden oder dorthin zu transportieren, wo sie nachts benötigt wird.
Saubere CO₂-Reduktion
Martin Schulz von der Universität Jena und seine Kollegen sind dieser Vision viel näher gekommen. Sie haben ein chemisches System entwickelt, das auf einem Kupferkomplex basiert, der Lichtenergie einfängt und 14 Stunden ohne größere Verluste speichern kann. Wie die Forscher im Journal der American Chemical Society berichten, Verwenden Sie für Ihre Experimente zwei organische Verbindungen: Die Verbindung Dimethyltoluidin (DMT) erzeugt zwei Protonen und zwei Elektronen, wenn sie sichtbarem Licht ausgesetzt wird. Die beiden Ladungsträger wandern in den photoaktiven Kupferkomplex Cu (I) 4H-Imidazolat, auf dem die Ladungsträger verteilt und lange gelagert sind. Der geladene Kupferkomplex könnte dann mehrere Stunden gelagert und als Reduktionsmittel zur Wiederverwendung der Sonnenelektronen verwendet werden.
Wenn der Kupferkomplex mit einem molekularen System in Kontakt gebracht wird, das Elektronen wie Sauerstoff bevorzugt, werden die beiden Elektronen irreversibel übertragen. Ein Sauerstoffmolekül wird zu zwei Ionen mit jeweils doppelter negativer Ladung. (Wenn diese mit vier Protonen reagieren – positiv geladenen Wasserstoffionen – wird es zu Wasser.) Der Prozess ist äußerst effizient. „Wir können 90 Prozent der Elektronen mit Sauerstoff zurückgeben“, sagt Martin Schulz. Die auf dem Kupferkomplex gespeicherten Elektronen können auch für andere Reaktionen verwendet werden, an denen mehrere Elektronen gleichzeitig beteiligt sind. Zum Beispiel für die reine Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid der erste Schritt bei der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen oder wichtigen Grundchemikalien für Kunststoffe. „Wenn zwei Elektronen gleichzeitig verfügbar sind, sind Mehrelektronenprozesse energetischer als wenn Sie nur einzelne Elektronen anbieten“, sagt Schulz.
Wasserstoffproduktion auch mit Solarelektronen?
Die Forschungsgruppe, der Wissenschaftler der Universität Ulm, des Leibniz-Instituts IFW in Dresden und der Dublin City University angehören, kann ihr molekulares Energiespeichersystem mehrfach wiederverwenden. Das vollständige Aufladen dauert acht Stunden. Die Reaktionen fanden bisher jedoch nur im Reagenzglas bei geringen Konzentrationen im Mikro- und Millimolbereich statt, so dass eine Anwendung zu diesem Zeitpunkt ausgeschlossen ist.
Es ist derzeit unklar, ob die Sonnenelektronen auch auf Elektrodenmaterialien übertragen werden können, mit denen der Energieträger Wasserstoff durch Elektrolyse oder solare Wasserspaltung gewonnen werden kann. Zum Beispiel die Frage, wie viel Energie in den Solarladungsträgern steckt. Weitere Forschung wird Antworten liefern. Der Tag-Nacht-Zyklus wurde bereits effizient entkoppelt.
