Künstliche Photosynthese

Pack die Sonne in den Tank

Von Georg Rüschemeyer
 - 15:00

Lange war es den Bewohnern des jungen Planeten Erde prächtig ergangen. Nahrung, die man in friedlicher Koexistenz mit seinen Nachbarn in sich hineinfutterte, gab es im Urmeer in Form von Schwefel-, Mangan- und weiteren anorganischen Verbindungen mehr als genug. Äußerlich hatte sich das frühe mikrobielle Leben fast eine Milliarde Jahre nach seiner Entstehung nicht groß weiterentwickelt. Aber es war gut.

Doch dann machten einige dieser bakteriellen Lebensformen eine Erfindung, die zur ersten großen Umweltkatastrophe führen sollte – und auf einen Schlag einen Großteil aller bisherigen Lebensformen vernichtete. Verantwortlich für dieses Massaker waren Vorfahren moderner Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt. Ihre revolutionäre Erfindung war die oxygene Photosynthese, also jener biophysikalische Prozess, mit dem bis heute Blaualgen, einige Bakterien und vor allem grüne Pflanzen Sonnenlicht nutzen. Mit seiner Energie spalteten sie Wassermoleküle und erzeugten chemische Energie, mit welcher sie den entstandenen Wasserstoff in Verbindung mit dem Kohlendioxid aus der Luft für den Aufbau organischer Materialien einsetzten. Dabei produzierten sie nebenbei ein gefährliches Abgas: Sauerstoff. In der Folge kippte das globale Ökosystem, mit verheerenden Folgen für die bis dahin anaerob glücklichen Erdbewohner.

Ein fieses Umweltgift wird zum Lebenselixier

Als die „Große Sauerstoffkatastrophe“ ging dieses erste große Massensterben in die Erdgeschichte ein, auch wenn die Opfer keine spektakulären Dinosaurier, sondern nur Mikroben waren. Die Überlebenden arrangierten sich mit dem Sauerstoff und nutzten ihn schon bald für die aerobe Atmung, also die Verbrennung der von Pflanzen erzeugten Kohlenhydrate, bei der wiederum Energie und am Ende wieder Wasser und Kohlendioxid frei werden. Sauerstoff, der heute gut ein Fünftel der Erdatmosphäre ausmacht, wurde vom Gift des alten zur Grundlage des neuen Lebens auf Erden. Geschätzte 300 Milliarden Tonnen molekularer Sauerstoff entstehen heute jedes Jahr durch die Photosynthese von Pflanzen aller Art an Land und in den Ozeanen. Dabei verarbeiten sie mehr als 100 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von CO₂ zu Zucker, der dann als Grundbaustein für Baustoffe wie Zellulose und Lignin oder Energiespeicher wie Stärke, Fett oder auch Protein dient.

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Die Bedeutung dieses sonnenlichtgetriebenen Kreislaufes lässt sich kaum überschätzen. „Photosynthese ist wahrscheinlich der wichtigste chemische Prozess auf Erden“, sagt Wolfgang Lubitz, einer der Direktoren am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr. „Er speichert die Energie des Sonnenlichts in Kohlenhydraten, die wir in Form von Nahrung als Brennstoff für unsere Lebensprozesse nutzen.“ Aber auch die fossilen Brennstoffe unserer Zivilisation wie Öl, Kohle oder Erdgas sind vor Millionen von Jahren durch Photosynthese entstanden. Das Verbrennen dieser Energieträger hat allerdings zwei große Nachteile: Erstens sind ihre Vorkommen begrenzt. Und zweitens heizt das dadurch in die Erdatmosphäre geblasene Kohlendioxid unserem Klima ein.

Wäre es da nicht verlockend, die Photosynthese technisch nachzubauen, um den Energiebedarf der Menschheit eines Tages nach dem Vorbild der Natur mit wahrhaft nachhaltigen Treibstoffen abzudecken? Immerhin schickt die Sonne in einer einzigen Stunde mehr Energie zur Erde, als die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht.

Es geht nicht um Strom, sondern um Kraftstoff

Tatsächlich arbeiten zahlreiche Forschergruppen in aller Welt daran, diesen unermesslichen Energiefluss mit Hilfe einer am natürlichen Vorbild orientierten künstlichen Photosynthese sehr viel effektiver anzuzapfen, als das bisher mit Solar-Paneelen möglich ist. Eine davon ist die Arbeitsgruppe des österreichischen Chemikers Erwin Reisner, die in der altehrwürdigen englischen Universitätsstadt Cambridge in einem nicht ganz so ehrwürdig aussehenden Bau aus den fünfziger Jahren residiert. Der abgewetzte Parkettboden, über den der junge Professor seinen Besucher führt, steht im Kontrast zu den darauf plazierten, hochmodernen Laborarbeitsplätzen, an denen Reisner und seine Mitarbeiter nach neuen Materialien und Verfahren suchen, um die Energie der Sonne direkt in chemische Kraftstoffe zu verwandeln. „Das heutige Energieportfolio der Menschheit besteht zu etwa einem Drittel aus Elektrizität, zwei Drittel sind Brennstoffe. Und fast alle Ansätze für erneuerbare Energie, von der Photovoltaik über Windkraft bis zur Erdwärme, erzeugen Strom, der sich kaum speichern lässt. Für den viel größeren Brennstoffsektor gibt es dagegen kaum nachhaltige Alternativen“, sagt Reisner.

Künstliche Blätter, welche die geniale Erfindung der Evolution mit den Mitteln der Technik nachahmen, sind der Traum von Forschern wie Reisner oder Lubitz. Die wären allerdings nicht grün und organisch, vermutlich würden sie eher heutigen Photovoltaikanlagen ähneln. Doch nicht Strom wäre ihr Produkt, sondern entweder Wasserstoffgas für Brennstoffzellen oder gleich Biokraftstoffe wie Methyl- oder Ethylalkohol. Die haben den Vorteil, dass sie herkömmliche Verbrennungsmotoren antreiben können. Der Knackpunkt bei der künstlichen Photosynthese sind die Katalysatoren, welche die notwendigen photochemischen Reaktionen vermitteln und bei Zimmertemperatur ablaufen lassen. Kandidaten gibt es einige. Nur solche, die sowohl billig als auch effizient und so zuverlässig sind, dass sich damit eine Produktion im industriellen Maßstab betreiben ließe, sind noch nicht dabei.

Biokraftstoffe sind Mogelpackungen ...

Kraftstoffgewinnung nach dem Vorbild der Natur – das klingt grün, nachhaltig und visionär. Aber lassen sich Biokraftstoffe nicht schon heute aus Rapsöl gewinnen? „Viel zu ineffizient“, lautet Reisners Urteil. Bioethanol lasse sich bestenfalls in Ländern wie Brasilien halbwegs effektiv aus Zuckerrohr herstellen und stehe stets in Konkurrenz mit der Produktion von Nahrungsmitteln. Das Grundproblem sei der geringe Wirkungsgrad der natürlichen Photosynthese, der weniger als ein Prozent beträgt. „Die Evolution hat Pflanzen auf Überleben, aber nicht unbedingt auf maximale Ausbeute bei der Photosynthese optimiert. Manches ist bei unserem natürlichen Vorbild eigentlich irrsinnig blöd gelöst“, sagt Reisner.

Das gilt beispielsweise für das relativ kleine Absorptionsspektrum des Photosynthesefarbstoffs Chlorophyll, der lediglich blaue und rote Anteile des Sonnenlichts einfängt, jedoch Wellenlängen im mittleren grünen Bereich reflektiert und somit den grünen Farbeindruck erzeugt. Wirklich effiziente Pflanzen müssten eigentlich das ganze Spektrum nutzen und daher schwarz sein. Hier könnten künstliche Blätter besser sein: Im Labormaßstab erreichen sie heute schon Wirkungsgrade von zwanzig Prozent und mehr.

... und Wasserstoff bislang ebenfalls

Auch die Produktion von Wasserstoff ist längst mit Hilfe der Elektrolyse von Wasser möglich, die jeder Siebtklässler aus der Schule kennt. Aber sie benötigt den Umweg über viel Elektrizität und teure Elektroden aus Edelmetallen. In der Praxis werden deshalb weit über neunzig Prozent der weltweiten Produktion von Wasserstoffgas mit dem Verfahren der Dampfreformierung aus fossilen Brennstoffen gewonnen, was die Ansätze für eine saubere Wasserstoffwirtschaft bisher zu einer nicht wirklich nachhaltigen Mogelpackung macht.

So ineffizient die natürliche Photosynthese auf den ersten Blick auch scheinen mag: Wer sie nachbauen oder gar verbessern will, muss erst einmal ihre Details verstehen. Die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Zucker lässt sich grob in drei Schritte einteilen, von denen die ersten beiden direkt von Licht abhängen, während Schritt Nummer drei auch im Dunklen abläuft. Zunächst sammelt die Pflanze mit Hilfe des grünen Farbstoffes Chlorophyll, der in zwei komplexen Proteinen gebunden ist, Lichtquanten ein. Diese gelangen über Umwege und mit Hilfe quantenmechanischer Effekte in das nächstgelegene Reaktionszentrum. Dort findet an einem mehrere Mangan-Atome enthaltenden Biokatalysator der zweite Schritt statt, bei dem ein Wassermolekül in seine Bestandteile zerlegt wird. Dabei entstehen neben Sauerstoff und positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (Protonen) als entscheidendes Produkt freie, durch das Licht energetisch angeregte Elektronen. Deren Energie landet nach vielen Umwegen schließlich im Glukosezucker, dem energiereichen Grundstoff aller pflanzlichen Bau- und Speicherstoffe, der im dritten Schritt, dem sogenannten Calvin-Zyklus, einer von Licht unabhängigen Reaktion, aus energiearmem Kohlendioxid hergestellt wird.

Rubisco, der geniale Verschwender

Verantwortlich für diesen letzten Vorgang ist ein vermutlich uraltes Schlüsselenzym, das abgekürzt auf den Namen Rubisco hört und unter Biologen einerseits als eine der genialsten, aber andererseits auch verschwenderischsten Erfindungen der Evolution gilt. Denn statt des Kohlendioxids baut Rubisco ebenso gern auch Sauerstoff in den Calvin-Zyklus ein und verbrennt damit einen Teil der zuvor in der Lichtreaktion der Photosynthese mühsam gewonnenen chemischen Energie. Biotechnologen versuchen deshalb schon lange, aber bisher mit mäßigem Erfolg, Pflanzen mit einem künstlich verbesserten Rubisco-Enzym zu erzeugen – auch das ist eine Variante der künstlichen Photosynthese.

Forscher wie Erwin Reisner freilich zeigen an der Zucker aufbauenden Dunkelreaktion eher geringes Interesse. „Man kennt noch nicht einmal die genaue Struktur des natürlichen Rubisco-Proteins“, sagt der Chemiker. Entsprechend schwierig sei es, sie zum Vorbild künstlicher Prozesse zu nehmen. Vor allem aber sei Zucker ohnehin nicht das Wunschprodukt einer künstlichen Photosynthese. Reisner wäre schon zufrieden, wenn es effizienter gelingen würde, Licht einzufangen, dessen Energie mit Hilfe geeigneter Katalysatoren zum Spalten von Wasser zu verwenden und die dabei frei werdenden Elektronen zur Synthese geeigneter Energieträger zu nutzen. Ob dabei unmittelbar Wasserstoff entsteht oder ob man das natürliche Vorbild noch ein wenig weiterverfolgt, um aus Kohlendioxid organische Brennstoffe wie Kohlenmonoxid, Ameisensäure, Methanol oder Methan zu erzeugen, ist dann eher Geschmackssache.

Genmanipulierte Viren als Hoffnungsträger

Für solch eine Komplettlösung muss man allerdings den Lichteinfang und die Spaltung von Wasser auf engstem Raum miteinander koppeln. Die Materialwissenschaftlerin Angela Belcher vom Massachusetts Institute of Technology spannt dafür Bakteriophagen vom Typ M13 ein. Das sind winzige Viren, die in der Natur Bakterien befallen. Belcher gelang es bereits 2010, diese Viruspartikel durch genetische Modifikationen so anzupassen, dass die molekularen Eiweißgreifer an ihrer Oberfläche nicht mehr Bakterien festhalten, sondern einerseits einen lichtabsorbierenden Farbstoff und andererseits Katalysatorpartikel aus Iridiumdioxid, an denen die Lichtenergie auf dem Umweg über angeregte Elektronen zur Spaltung von Wasser genutzt wird. Und im vergangenen Jahr publizierte Belchers Team eine verbesserte Version dieses virusbasierten Photosynthesesystems, das allerdings noch weit von jeder praktischen Anwendung entfernt ist.

Reisner arbeitet mit seinem Team unterdessen an der Idee, Biomasse wie zum Beispiel Stroh mit Hilfe lichtgetriebener Katalysatorpartikel in die Brennstoffvorstufe Kohlenmonoxid zu verwandeln: „Das funktioniert im Kleinen schon sehr gut. Doch der Teufel liegt wie immer im Detail.“ Der Weg zu einer großtechnischen Anwendung der künstlichen Photosynthese sei jedenfalls noch sehr weit. Der anhaltend niedrige Ölpreis beschleunige ihn auch nicht gerade, in den vergangenen Jahren seien weniger Forschungsgelder geflossen.

Wenn die künstliche Photosynthese sich eines Tages durchsetzen sollte, dann müsse das nicht unbedingt gleich im industriellen Stil geschehen, meint Reisner. Er sieht erste Anwendungen dort, wo es an der herkömmlichen Energie-Infrastruktur mangelt. Vielleicht sind es Kleinbauern irgendwo in Afrika, die am meisten von einer kleinen Photosyntheseanlage profitieren würden, die ihnen genug Biokraftstoff für einen kleinen Maschinenpark liefern könnte.

Quelle: F.A.S.
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