Pflanzen spalten Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Wasserstoff ist zwar ein sehr guter Energieträger, aber er ist leider auch technisch nicht so einfach herzustellen. Doch nun rückt die technische Photosynthese immer näher. US-Forscher des California Institute of Technology (Caltech) haben ein künstliches Blatt entwickelt, das die Energieerzeugung in den Pflanzenzellen nachahmt. Die Wissenschaftler wollen damit das erste vollständige, effiziente, sichere, solarbetriebene System erschaffen haben, mit dem sich Wasserstoff herstellen lässt. Was in diesem künstlichen Blatt, das ganz und gar nicht wie ein gewöhnliches Blatt aussieht, steckt, erläutern wir hier.

Die Lösung für das weltweite Energieproblem versteckt sich vielleicht in diesem kleinen Apparat. US-Forscher am Zentrum für künstliche Photosynthese (JCAP) des California Institute of Technology haben jetzt ein künstliches Blatt entwickelt, mit dem die technische Photosynthese in immer greifbarere Nähe rückt. Das Zentrum, welches mit staatlicher Hilfe ein funktionierendes Verfahren zur autarken Wasserstoffgewinnung finden sollte, existiert seit nunmehr fünf Jahren. „Ein Ziel, das wir im Zeitrahmen und im Rahmen unseres Budgets erreicht haben.“, wie der wissenschaftlicher Direktor Nate Lewis laut green.wiwo.de sagte.

Hauptsächlich besteht dieses künstliche Blatt, was nicht mal annähernd so aussieht, wie ein Blatt von einem Baum, aus zwei Elektroden und einer Membran. Eine Elektrode, die sogenannte Fotoanode, dient dazu, das Wasser mit Hilfe des Sonnenlichts in Protonen, Elektronen und Sauerstoff aufzuteilen. In einer Kammer, die durch die Membran getrennt ist, bleibt der Sauerstoff auf der einen Seite, während die Elektronen und die Protonen durch die Membran auf die andere Seite wandern können. Dort liegt die zweite Elektrode, die Fotokathode, welche die Protonen und Elektronen zu Wasserstoff kombiniert. Um Korrosion an den Elektroden zu verhindern, sind diese mit einer neuartigen Nano-Schicht aus Titandioxid umhüllt. Nun könnte man ja einwenden, dass dieser Aufbau in etwa dem einer normalen Solarzelle entspricht, was aber leider nicht stimmt, denn die Solarpaneele taugen nicht direkt zur Herstellung von Wasserstoff, da ihre Materialien selbst oxidieren oder rosten, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen.

Die Forscher haben bei ihrer Arbeit vor allem darauf geachtet, dass dieses künstliche Blatt günstig in der Herstellung und im Betrieb ist. Zum Beispiel benötigt die Anode einen Katalysator, um das Wasser aufspalten zu können. Bislang kam dafür das effektive, aber teure Material Platin zum Einsatz. Jetzt wird eine preiswerte Nano-Nickelschicht verwendet, die als Katalysator für eine höhere Effizienz sorgt. Das bedeutet, dass in dieser nur einen Quadratzentimeter kleinen Anlage viele, extrem dünne Schichten zum Einsatz kommen, was natürlich erheblich zur Kostensenkung beiträgt. Der Wirkungsgrad der Anlage liegt zwar nur bei 10 %, aber dafür kann das Blatt theoretisch 40 Stunden am Stück laufen.

Lewis sagte dazu: „Unsere Arbeit zeigt, dass es tatsächlich möglich ist, Treibstoff nur aus der Kraft der Sonne herzustellen. Und zwar sicher und effizient in einem integrierten System, das aus preiswerten Einzelteilen besteht.“ Sicher ist das Ganze dank der Membran, die verhindert, dass sich Wasserstoff und Sauerstoff vermischen, was zu einer Explosion führen würde. Die Aufgabe der nächsten Monate und Jahre wird es nun sein, die Lebensdauer des Systems auszuweiten und eine kostengünstige Herstellungsmethode zu finden, um den Weg für eine industrielle Nutzung des Systems zu ebnen. Dass das System funktioniert, zeigt dieses Video:

Bilder & Video: © Darius Siwek, Caltech