Wie das Prinzip der Photosynthese zur Produktion von erneuerbarer Energie führte.

Photovoltaik-Anlagen sieht man heutzutage überall. Neuartige Modelle können ihren Wirkungsgrad noch übertreffen. Ihr Funktionsprinzip basiert auf dem Wissen über Photosynthese

Photovoltaik-Anlagen sieht man heutzutage überall. Neuartige Modelle können ihren Wirkungsgrad noch übertreffen. Ihr Funktionsprinzip basiert auf dem Wissen über Photosynthese. Sebastian Ganso auf Pixabay 

Bei der Grundlagenforschung versucht man das Universum und das Leben darin zu verstehen. Dieses Wissen ist wie das Fundament, auf dem angewandte Wissenschaft aufbaut. Mit deren Hilfe können dann Verfahren entwickelt oder Krankheiten geheilt werden. Somit wird das grundlegende Wissen nützlich für die Lebewesen im Universum. Und so konnte auch das Verständnis über das Prinzip der Photosynthese zur Erzeugung neuartiger Photovoltaik-Zellen führen.

Vieles von dem was wir heute wissen, wurde zuerst in Pflanzen erforscht. Dazu gehört zum Beispiel der Aufbau von Zellen, oder das Konzept der Genetik (Mendels berühmtes Experiment mit der Blütenfarbe von Erbsenpflanzen). Ein weiteres interessantes Beispiel ist ein Projekt, bei dem Forscher aus der Schweiz aktuell versuchen, das Prinzip der Photosynthese technisch zu nutzen, um umweltfreundliche Energie zu erzeugen. Was aufgrund der Klimakrise und einer stetig steigenden Nachfrage an Energie heute wichtiger ist als jemals zuvor. 

Aber zurück zu den Grundlagen; Die Photosynthese wurde lange erforscht und in den 1950er Jahren konnten die beiden Reaktionsschritte (Abbildung unten) dann erstmals bewiesen werden. Einer der Forscher, Professor Calvin, erhielt dafür 1961 sogar den Nobelpreis. Mit dem Abschluss dieser Arbeiten endet die Geschichte aber nicht. Das gewonnene Wissen wurde aufgegriffen, um es technisch zu nutzen. Denn bei der Photosynthese tritt durch das Auftreffen des Lichts auf Pigmente in der Pflanze eine elektrische Ladung auf. Diese freigesetzten Elektronen werden dann aber direkt weiterverarbeitet, um die Reaktion fortzusetzen. Im Prinzip können Pflanzen also Strom erzeugen. Und diesen Grundsatz machten sich Prof. Dr. Grätzel und seine Mitarbeiter zunutze. Sie schafften es, Solarzellen zu entwickeln, in denen Pigmente durch Licht angeregt werden, um so Elektronen freisetzten. Eine elektrische Ladung entsteht. Über das in die Zellen eingebaute Trägermaterial Titandioxid werden die Elektronen weitergeleitet und gelangen in einen Stromkreis und elektrischer Strom wird gewonnen. Mit dieser Technik erzielt man schon heute einen besseren Wirkungsgrad als klassische Silizium-Zellen. Testweise werden die neuen, so genannten Farbstoffzellen schon verwendet und sind zum Beispiel Teil der Fassade des Gratzer Science Towers.

Allerdings sind die Farbstoff-Solarzellen noch nicht ganz ausgereift. Sie sind recht empfindlich gegenüber Licht (ironischerweise), Hitze und Feuchtigkeit. Daran arbeitet die Forschungsgruppe um Professor Grätzel nun weiter um diese Technologie endgültig markttauglich zu machen. Auch forschen sie daran Speichermöglichkeiten für den Strom zu finden, da der Bedarf ja bekanntlich stark schwanken kann. Auch da bedienen sie sich am Beispiel der Pflanzen, die mit Hilfe der Elektronen Energieträger erzeugen. So können die Forscher den Strom als Energielieferant nutzen, um Wassermoleküle zu spalten, wobei Wasserstoff und Sauerstoff produziert werden. Der Wasserstoff dient dann als Energiespeicher, weil er diese erst bei seiner Verbrennung wieder freigibt. Somit kann er zum Beispiel als Autotreibstoff genutzt werden. Dies ist eine weitere umweltfreundliche Technologie, denn bei dieser Verbrennungsreaktion entstehen keine umweltschädlichen Abgase, sondern Wasser.

Grafik von Katrin Heidemeyer designed.

Und so kann die ca siebzig Jahre alte Grundlagenforschung dazu beitragen, Technologien zu entwickeln, die die Welt verändern. Professor Calvin und seine Kollegen konnten sich das damals nicht ausmalen. Sie wollten lediglich wissen, wie Pflanzen das Kohlendioxid nutzen, was sie täglich aufnehmen. Und so ist das für viele Forscher. Wir sind getrieben von einer unendlichen Neugier und dem Drang Rätsel zu lösen. Dabei weiß man vorher nie, was der Menschheit von Nutzen sein könnte. Aber solange es Leute gibt, die Grundlagen schaffen und andere diese nutzen, sind dem Fortschritt keine Grenzen zu setzten.

Wie der Prozess der Photosynthese genau verläuft und wie das Prinzip für die Farbstoffsolarzelle verändert wurde, findet ihr hier.

Bei der Photosynthese findet eine Umwandlung von Molekülen statt, die in einer Vielzahl von Teilschritten abläuft. Die wichtigsten beschreibe ich hier; Lichtstrahlen treffen auf die Pigmente in den Zellen. Dort bewirkt die Energie des Lichts eine Freisetzung von Elektronen. Diese Elektronen werden wiederum benötigt, um Moleküle zu bilden, die für die Sauerstoffproduktion nötig sind. Man kann sich die Elektronen wie den Kaffee vorstellen, den man braucht, um morgens in die Gänge zu kommen. Diese Startenergie nutzen die Zellen, um NADPH und ATP herzustellen. NADPH hilft dabei, Kohlenstoffdioxid und Wasser in Sauerstoff und Zucker umzuwandeln. ATP ist dabei der Treibstoff der Reaktion. Die beiden Moleküle NADPH und ATP werden dabei allerdings verbraucht. Sie müssen also wieder ersetzt werden, um die Reaktion erneut zu starten. Dazu werden mehr Elektronen benötigt. Aber in den Pigmenten sind nun keine mehr vorhanden, sie müssen ersetzt werden. Das passiert ebenfalls durch Sonnenlicht. Die Energie der Strahlen kann Wassermoleküle spalten. Es entstehen Elektronen, die in die Pigmente wandern. Außerdem wird Sauerstoff freigesetzt und Protonen entstehen (H+), die ebenfalls für die Bildung von ATP nötig sind. Diesen ganzen Prozess kann man mit einem ständigen Zyklus des Auf- und Abbaus vergleichen, der anhält, solange die Sonne scheint.

In der Farbstoff-Solarzelle werden die durch das Licht freigesetzten Elektronen nicht wie in der Pflanze für chemische Reaktionen genutzt. Sie werden direkt über das Trägermaterial Titandioxid geleitet.Aber auch hier entsteht eine Elektronenlücke, die wieder geschlossen werden muss. Das löst man damit, dass die Zellen an einen Stromkreis angeschlossen werden und Elektronen so wieder zurückfließen. Jetzt müssen Prof. Grätzel und seine Kollegen nur noch eine Lösung finden, die Energie so elegant zu speichern wie die Pflanzen es tun.



Quellen:

Geschichte der Biologie. 3. Aufl., Sonderausgabe Nikol, Hamburg 2004, S. 515–518.).  

SWR Sendung; Teleakademie, ausgestrahlt am 16.6.2019 um 7:30 Uhr.

Website des EPFL Forschungsinstitutes in Lausanne, Schweiz (https://www.epfl.ch/labs/lpi/graetzel/)

Published by Katrin Heidemeyer

Katrin Heidemeyer ist Doktorandin im Bereich Biochemie an der Wageningen University and Research. Durch ihre Arbeit möchte sie das Wissen über die Spezifität von Hormon-Signalen in Pflanzen erweitern. Da ihre Interessen über Pflanzenbiologie hinausreichen, schreibt sie in ihrer Freizeit über diverse Themen. Von Ernährung zu Psychologie, der Neugierde sind keine Grenzen gesetzt.

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