Berliner Zeitung 25.05.2019

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Zaub mitSonn 4 25./26. MAI 2019 Künstliche Fotosynthese 1. TEILSCHRITT 2. TEILSCHRITT Sonnenlicht CO2 Methangas (CH4) Künstliche Fotosynthese könnte sauber Probleme lösen helfen. Die Prozesse na Pflanzen ablaufen, ist all VonSabine Sütterlin (Text) und Foto- Elektrode H2 H2 O2 – + H2O Katalysatoren direkte Nutzung von Wasserstoff für Brennstoffzellen Ein Halbleiter fungiert als Fotoelektrode. Er ist zusammen mit einer negativ gepolten Elektrode in Wasser eingetaucht. Sobald Licht auf die Fotoelektrode fällt, fließt Strom. Dieser spaltet die Wassermoleküle in Wasserstoff- und Sauerstoff-Ionen. Die Teilchen fügen sich schließlich zu Sauerstoff- und Wasserstoffmolekülen zusammen. Mithilfe von Katalysatoren entstehen aus Wasserstoff und Kohlendioxid einfache Moleküle –zum Beispiel Methangas, das sich als Energiequelle nutzen lässt. Esist genial arrangiert: Pflanzen leben buchstäblich von Luft und Licht. Sie verleiben sich zunächst das Kohlendioxid aus der Atmosphäre ein. Mithilfe von Sonnenenergie verwandeln sie anschließend das Kohlendioxid zusammen mit Wasser in Zucker und andereKohlenhydrate wie Stärke oder Zellulose.Auf diese Weise gedeihen und wachsen die Pflanzen –und ernähren Tiere und Menschen. Als Abfallprodukt entsteht bei dieser Umwandlung Sauerstoff, den andereLebewesen zum Atmen benötigen. Fotosynthese nennt sich der ausgeklügelte Prozess, von dem fast alle Lebensformen auf der Erde abhängen. Frei übersetzt bedeutet der Fachbegriff: Aufbau von Biomasse mit Licht. Nur Algen, Gräser, Bäume und andere Angehörige des Pflanzenreichs sowie manche Bakterien sind dazu in der Lage.Denn nur sie besitzen die Maschinerie dafür. Diese besondereFähigkeit regt seit langem die Fantasie von Wissenschaftlern an. Gelänge es nämlich, den natürlichen Umwandlungsvorgang nachzuahmen und in großem Maßstab einzusetzen, ließen sich auf einen Schlag mehrere globale Probleme lösen. Zumeinen wäredie Ernährung der wachsendenWeltbevölkerung gesichert. Darüber hinaus ließe sich dank künstlicher Fotosynthese aber auch derVerbrauch fossiler Brennstoffe wie Öl und Kohle reduzieren –und damit der Ausstoß vonKohlendioxid (CO 2 ), das hauptsächlich den Klimawandel verursacht. Damit nicht genug. DieNachahmung derVorgänge in den Blätternbietet auch die Möglichkeit, Rohstoffe für die industrielle Produktion allein aus Luft und Licht erzeugen. Der wundersame Nebeneffekt: Alle diese Anwendungen würden noch dazu einen Teil des klimawirksamen CO 2 aus der Atmosphäreentfernen und so die Erwärmung des Planeten abmildern. Dasklingt alles zu schön, um wahr zu sein. Immerhin aber sind einige dieser Zaubertaten bereits möglich –imLabormaßstab.Vorläufig muss künstliche Fotosynthese allerdings in Anführungszeichen geschrieben werden, denn ein derart komplexes biologisches System lässt sich nicht exakt nachbauen. Künstliche Systeme nutzen als Lichtfänger deshalb Hilfsmittel, die in der Natur nicht vorkommen, etwa synthetische Farbstoffe oder Halbleitermaterialien. Und Katalysatoren übernehmen die Rolle der Enzyme,die im natürlichen Prozess die chemischen Umwandlungen ermöglichen. Allenthalben tüfteln Forscher an der Weiterentwicklung dieser Materialien, um die Verfahren effizienter zu machen. Effizienz ist wichtig, denn Pflanzen arbeiten bei der Umwandlung vonKohlendioxid undWasser in Zucker langsam, oft fehlerhaft und mit extremen Energieverlusten. Sienutzen lediglich etwa ein Prozent des eingesammelten Lichts für den Aufbau vonBiomasse.Den größeren Teil der aufgenommenen Energie verwenden sie, umihren Stoffwechsel aufrechtzuerhalten. Hinzu kommt, dass sie ausgerechnet bei besonders starker Einstrahlung, in gemäßigten Breiten beispielsweise um die Mittagszeit, die Produktion vonKohlenhydraten zurückfahren. Selbst genmanipulierte Bakterien kommen auf eine Lichtausbeute vonhöchstens drei Prozent. ZumVergleich: Gute handelsübliche Solarmodule erreichen heute bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität einen Wirkungsgrad von20 Prozent. DIE CHANCEN DER KÜNSTLICHEN FOTOSYNTHESE liegen deshalb darin, dass sie das Original übertreffen kann. Künstliche Systeme schaffen weit höhere Wirkungsgrade und ihreEffizienz steigt mit zunehmender Sonneneinstrahlung. Der Physiker Matthias May, der am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) dazu forscht, konnte letztes Jahr einen neuen Weltrekord vermelden: Eingemeinsam mit einem internationalen Team entwickeltes System zur solaren Wasserspaltung erreichte im Labor 19 Prozent Lichtausnutzung. Systeme zur solaren Wasserspaltung imitieren jedoch nur den ersten Teilschritt der biologischen Fotosynthese.Das heißt: Mithilfe vonSonnenlicht zerlegen sie Wasser (H 2 O) in seine Bestandteile Sauerstoff (O 2 ) und Wasserstoff (H 2 ). Dies ist der Prozess der Fotosynthese,der am meisten Energie erfordert. Interessant ist dabei vorallem der Wasserstoff, der sich speichern, in Brennstoffzellen in Stromverwandeln oder direkt zum Antrieb von Fahrzeugen einsetzen lässt. Bei der Verbrennung vereinigen sich Sauerstoff und Wasserstoff wieder und es entsteht nichts als Wasser. Nur bei hohen Verbrennungstemperaturen kommen auch Stickoxide hinzu. Im Vergleich zu einem Feuer aus Kohle oder Benzin also eine ziemlich saubereSache. Die solareWasserspaltung kann mithilfe einer sogenannten fotoelektrochemischen Zelle geschehen, nach der englischen Abkürzung als PEC-Zelle bezeichnet. Dasist eine ArtSolarzelle mit einem Halbleiter als Fotoelektrode und einem Metall oder Oxid als entgegengesetzt gepolter Elektrode, die in Wasser eingetaucht sind. Sobald Licht auf die Fotoelektrode fällt, fließt innerhalb der Zelle Strom. Wassermoleküle zerfallen in Wasserstoff- und Sauerstoff-Ionen, und diese positiv respektive negativ geladenen Teilchen fügen sich schließlich zu Sauerstoff- und Wasserstoffmolekülen zusammen. Einen anderen Ansatz verfolgen zum Beispiel Forscher der Universität Zürich und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt. Siekönnen mit chlorophyllähnlichen Farbstoffen und Katalysatorenineiner wässrigen Lösung die erste Stufe der natürlichen Fotosynthese direkter nachahmen. Diese Fotokatalyse ist bislang jedoch weniger effizient alsVerfahrenmit PEC-Zellen. In experimentellen Anordnungen ist es bereits möglich, den natürlichen Prozess komplett nachzuvollziehen –also nicht nur Wasser zu spalten, sondern auch zugeführtes Kohlendioxid in einfache Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. Anders als in den Blättern von Pflanzen entsteht dabei jedoch kein Zucker, der aus sechs Kohlenstoffatomen aufgebaut ist. Vielmehr bilden sich vergleichsweise simple Produkte mit einem oder zwei Kohlenstoffatomen wie zum Beispiel Methan, Ameisensäure, Methanol, Ethylen und Ethanol. Bislang sind die Ausbeuten gering, die künstlichen Blätter wenig stabil. Grundsätzlich ließen sich die entstehenden Substanzen als Ausgangsstoffe für andereProdukte in der chemischen Industrie oder als Brennstoffe nutzen. Doch um dies in industriellen Mengen und zu günstigen Preisen umzusetzen, müssten quadratkilometerweise Lichteinfangflächen zur Verfügung stehen, die Leistung im Gigawattbereich erbringen, wie die Nationale Akademie der Wissenschaften 2018 in einem Bericht zum Stand der Forschung schrieb. Dennoch könnte es sinnvoll sein, CO 2 mit künstlicher Fotosynthese in Substanzen wie Ameisensäureoder Alkohole umzuwandeln und diese in speicherbarelängereKohlenwasserstoffverbindungen überzuführen. Damit ließe sich ein Teil des überschüssigen atmosphärischen CO 2 binden und zurückhalten. NegativeEmissionen nennen sich solche Maßnahmen zur Rücknahme vonzuvor ausgestoßenem CO 2 . Siehaben den Zweck, die Klimabilanz zu verbessern. Denn allein mit den vorgesehenen Schritten zur Senkung der Emissionen lässt sich das Ziel nicht erreichen, den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur auf unter zwei Grad gegenüber dem vorindustriellen Wert zu begrenzen. In fast allen Szenarien des Weltklimarats (International Panel on Climate Change,IPCC) sind deshalb negativeEmissionen von vornherein eingeplant. Demnach müsste die Menschheit bald mit der Umsetzung beginnen, um vomJahr 2050 an jährlich etwa zehn Gigatonnen CO 2 aus der Atmosphäre entnehmen und in tiefen Gesteinsschichten oder am Grund der Ozeane speichern zu können. Bisher sind für negativeEmissionen vorallem Ingenieurlösungen im Gespräch. So gibt es die Idee, die Ozeane mit Eisen zu düngen, damit sie mehr CO 2 schlucken. WeitereAnsätzesehen vor, CO 2 der Umgebungsluft chemisch zu entziehen oder aus den Abgasen von Biomassekraftwerken aufzufangen und im Boden zu verpressen. Dabei ist fraglich, ob solche großtechnischen Verfahren wirtschaftlich zu betreiben wären. Auch ist unklar,welche Risiken mit der Einlagerung im Boden oder in den Meeren verbunden wären. Alternativ gibt es den Vorschlag, Bioenergie-Pflanzen anzubauen, die CO 2 auf natürliche Weise aus der Atmosphäreaufnehmen und dann in Form neuer fossiler Lagerstätten gebunden halten könnten. Mit anderen Worten: Man müsste ganze Felder oder Wälder abernten und tief im Boden vergraben. Doch wegen
25./26. MAI 2019 5 erei enlicht Natürliche Fotosynthese e Brennstoffe erzeugen und globale chzuahmen, die in den Blättern von erdings nicht einfach Isabella Galanty (Grafik) 2 1 Sonnenlicht scheint 1. TEILSCHRITT auf die Pflanze. 2. TEILSCHRITT Chlorophyll und andere Blattfarbstoffe nehmen die Energie auf, die im Sonnenlicht steckt. Wasserstoff-Ionen (H++) (H+) Kohlendioxid (CO2) Sauerstoff (O2) Energiemoleküle Calvin- Zyklus 5 Die Blätter nehmen Kohlendioxid aus der Luft auf. 3 Wasser wird über die Wurzeln in die Blätter geleitet. 4 Wasser (H2O) Wasser wird mithilfe der eingefangenen Sonnenenergie gespalten. Es entstehen Wasserstoff-Ionen (H+), die in besondere Energiemoleküle eingebaut werden, und Sauerstoff. Den Sauerstoff gibt die Pflanze nach außen ab. Glucose (C6H12O6) 6 Das Kohlendioxid wird in den Blättern in Glucose umgewandelt. Davon ernährt sich die Pflanze. Die Folge von Reaktionen, bei denen Glucose aufgebaut wird, nennt sich Calvin- Zyklus. Die Umwandlung wird angetrieben durch die Lichtenergie, die in den Energiemolekülen gespeichert ist –sie kann somit auch im Dunkeln stattfinden. des niedrigen Wirkungsgrades der pflanzlichen Fotosynthese wären für den Anbau enorme Flächen nötig – die für denAnbau vonNahrung fehlen würden. Solarerzeugte negativeEmissionen mit künstlicher Fotosynthese könnten einen Ausweg bieten. Matthias Mayvom HZB hat gemeinsam mit der Physikerin Kira Rehfeld von der Universität Heidelberg ineinem Gedankenexperiment durchgerechnet, welches Potenzial zur Abmilderung der Erderwärmung die künstliche Fotosynthese gegenüber der natürlichen hätte: Um die geforderten zehn Gigatonnen CO 2 proJahr auf natürliche Weise zu binden, wären demnach etwa zehn Millionen Quadratkilometer fruchtbaren Bodens neu aufzuforsten. Dasentspricht der Fläche des europäischen Kontinents –von Portugal bis zum Ural. Das Gebiet wäre weder für die Entnahme von Holz noch für landwirtschaftliche Nutzung verfügbar.Künstliche Blätter würden dagegen nur rund 30 000 Quadratkilometer beanspruchen, eine Fläche vonder Größe Brandenburgs, umdie gleiche Menge CO 2 aufzunehmen wie der hypothetische Riesenwald. Selbst unter der Annahme,dass das System nur die Hälfte der theoretisch möglichen Lichtnutzung erreicht. KÜNSTLICHE SYSTEME ZUM EINSAMMELN von Kohlendioxid hätten weitereVorteile gegenüber der Natur. Sie funktionieren auch bei maximaler Sonneneinstrahlung. Sie kommen mit vergleichsweise wenig Wasser aus, weil nichts durch Verdunstung verloren geht. Undsie sind im Gegensatz zu Wäldernoder Feldern nicht auf fruchtbare Böden angewiesen. Man könnte daher ganzeFelder vonModulen inWüstengebiete stellen und sie sogar mit Meerwasser betreiben, das nichteinmal entsalzt werden müsste. Ist das realistisch? Matthias May lacht: „Jedenfalls ist es physikalisch möglich.“ Er weist darauf hin, dass künstliche Fotosynthese nur eine unter mehreren technischen Möglichkeiten ist, negative Emissionen zu erzeugen. Unddass für keine davon klar ist, ob sie sich in den notwendigen Größenordnungen umsetzenlassen. Besser sei es allemal, Emissionen vonvornherein zu vermeiden, sagt May. Kohlendioxid-Fänger Pflanzen sind im Grunde biologische Chemiefabriken. Forscher arbeiten mittlerweile daran, sie zu optimieren Die natürliche Fotosynthese ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess, an dem viele verschiedene Enzyme und andere Komponenten beteiligt sind. Wie diese biologische Chemiefabrik im Einzelnen arbeitet, konnte die Forschung erst in den letzten zwanzig Jahren aufklären. Chlorophyll oder andere Farbstoffe absorbieren die elektromagnetische Energie des Lichts und reichen sie als chemische Energie weiter. Diese löst die starken chemischen Bindungen, die Wassermoleküle zusammenhalten. Beider Spaltung des Wassers wird Sauerstoff frei. Gleichzeitig bilden sich Wasserstoff- Ionen und besondere Energiemoleküle werden aufgeladen, um Energie für die weiteren biochemischen Reaktionen zu liefern. Für den zweiten Teilschritt, die Synthese vonTraubenzucker und anderen langkettigen Kohlenwasserstoffen aus Kohlendioxid undWasserstoff im letzten Schritt, ist keine Lichtenergie mehr nötig. DerVorgang insgesamt läuft jedoch nur dann optimal ab,wenn genügend Wasser verfügbar ist und sich Temperatur, Lichtintensität und CO 2 -Gehalt der Luft in bestimmten Grenzen halten. Neben den gänzlich künstlichen Systemen gibt es auch Ansätze, das komplexe natürliche System halbsynthetisch nachzubauen, um es effizienter zu gestalten. So hat die Arbeitsgruppe vonTobias ErbamMax- Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg ein künstliches, aber komplett aus biologischen Molekülen bestehendes System im Reagenzglas entwickelt, das ein Fünftel mehr Kohlendioxid aus der Luft bindet, als dies Pflanzen photosynthetisch schaffen. Die Forscher nutzen dafür 17 Enzyme aus neun verschiedenen Organismen. Die Hauptrolle spielt ein bakterielles Enzym, das effektiver und weniger fehlerhaft arbeitet als RuBisCo, wie das zentrale Enzym der pflanzlichen Fotosynthese abgekürzt heißt. Die Marburger Forscher haben ihr künstlich-biologisches System zunächst mit dem lichtabsorbierenden Apparat vonPflanzen kombiniert. Im Prinzip ließe es sich aber auch mit gewöhnlichen Solarzellen koppeln. Eine ganz andere Herangehensweise besteht darin, dem pflanzlichen Fotosynthese-Apparat gewissermaßen ein Tuning zu verpassen, um die Lichtausbeute zu erhöhen. DieHauptrolle spielt dabei das Enzym RuBisCo, das CO 2 aus der Luft einfängt. Es verwechselt jedoch manchmal Kohlendioxid mit Sauerstoff. Dabei entsteht eine Substanz, die für die Pflanzegiftig ist und die sie wieder in CO 2 überführen muss. Eine Möglichkeit, Pflanzen diesen extrem energiefressenden Umweg auszutreiben, bestünde darin, den besonders effizienten Fotosynthese-Apparat von Cyanobakterien auf Pflanzen zu übertragen. Diese im Wasser lebenden Mikroben, auch als Blaualgen bekannt, besitzen abgetrennte Bereiche im Zellinnern, in denen sie ihrem RuBisCo konzentriertes CO 2 anbieten und so dessen Fehlerrate senken. Wie diese Bereiche gebildet werden, ist inzwischen aufgeklärt. Es ist aber noch offen, ob es gelingt, sie in Pflanzen einzusetzen. EINE ANDERE MÖGLICHKEIT ZUR OPTIMIERUNG der pflanzlichen Fotosynthese haben amerikanische Forscher entwickelt. Sie haben Tabakpflanzen mithilfe fremder Gene derart umprogrammiert, dass ihr Ru- BisCozwar immer noch Sauerstoff aufnimmt, die dabei entstehende Substanz aber komplett auf einem alternativen Wegentgiftet wird. Damit sparen die Pflanzen Energie ein, was sich bereits in bis zu vierzig Prozent höheren Erträgen niedergeschlagen hat. Die Frage ist, ob sich diese Eingriffe in ein komplexes System jemals im großen Maßstab nutzbringend einsetzenlassen. Ohne Gentechnik ginge es wohl keinesfalls.
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