Da die Welt einer steigenden Nachfrage nach sauberen und nachhaltigen Energiequellen ausgesetzt ist, lassen sich Wissenschaftler von der Kraft der Photosynthese inspirieren. Mit dem Ziel, neue, umweltfreundliche Techniken zur Herstellung von sauber verbrennendem Wasserstoffbrennstoff zu entwickeln, startet ein Forscherteam der Universität Rochester ein bahnbrechendes Projekt, um den natürlichen Prozess der Photosynthese nachzuahmen, bei dem Bakterien Elektronen an einen nanokristallinen Halbleiter-Photokatalysator abgeben .
In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel PNASKara Bren, Richard S. Eisenberg-Professorin für Chemie in Rochester, und Todd Krauss, Professor für Chemie, zeigen, dass die Bakterien Shewanella oneidensisbieten eine praktisch kostenlose und dennoch effiziente Möglichkeit, Elektronen für ihr künstliches Photosynthesesystem bereitzustellen. Durch die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften dieser Mikroorganismen zusammen mit Nanomaterialien hat das System das Potenzial, aktuelle Ansätze zur Gewinnung von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen zu ersetzen, die Art und Weise der Wasserstofferzeugung zu revolutionieren und eine leistungsstarke Quelle erneuerbarer Energie zu erschließen.
„Wasserstoff ist derzeit definitiv ein Kraftstoff von großem Interesse für das Energieministerium“, sagt Bren. „Wenn wir einen Weg finden, Wasserstoff effizient aus Wasser zu gewinnen, könnte dies zu einem unglaublichen Wachstum bei sauberer Energie führen.“
„Ein idealer Treibstoff“
Wasserstoff sei „ein idealer Brennstoff“, sagt Bren, „weil er umweltfreundlich und eine kohlenstofffreie Alternative zu fossilen Brennstoffen ist.“
Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und kann aus verschiedenen Quellen hergestellt werden, darunter Wasser, Erdgas und Biomasse. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, die Treibhausgase und andere Schadstoffe produzieren, entsteht bei der Verbrennung von Wasserstoff als einziges Nebenprodukt Wasserdampf. Wasserstoffkraftstoff hat außerdem eine hohe Energiedichte, was bedeutet, dass er viel Energie pro Gewichtseinheit enthält. Es kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich Brennstoffzellen, und kann sowohl im kleinen als auch im großen Maßstab hergestellt werden, sodass es für alles vom Heimgebrauch bis zur industriellen Fertigung geeignet ist.
Die Herausforderungen beim Einsatz von Wasserstoff
Trotz der großen Menge an Wasserstoff gibt es auf der Erde praktisch keinen reinen Wasserstoff; Es ist fast immer an andere Elemente wie Kohlenstoff oder Sauerstoff in Verbindungen wie Kohlenwasserstoffen und Wasser gebunden. Um Wasserstoff als Kraftstoffquelle nutzen zu können, muss er aus diesen Verbindungen gewonnen werden.
Wissenschaftler haben in der Vergangenheit Wasserstoff entweder aus fossilen Brennstoffen oder neuerdings auch aus Wasser gewonnen. Um Letzteres zu erreichen, gibt es große Bestrebungen, künstliche Photosynthese einzusetzen.
Während der natürlichen Photosynthese absorbieren Pflanzen Sonnenlicht, das sie nutzen, um chemische Reaktionen anzutreiben, bei denen Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff umgewandelt werden. Im Wesentlichen wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt, die den Organismus antreibt.
In ähnlicher Weise ist die künstliche Photosynthese ein Prozess, bei dem ein reichlich vorhandener Rohstoff und Sonnenlicht in einen chemischen Brennstoff umgewandelt werden. Systeme, die die Photosynthese nachahmen, benötigen drei Komponenten: einen Lichtabsorber, einen Katalysator zur Herstellung des Brennstoffs und eine Elektronenquelle. Diese Systeme sind typischerweise in Wasser getaucht und eine Lichtquelle versorgt den Lichtabsorber mit Energie. Die Energie ermöglicht es dem Katalysator, die bereitgestellten Elektronen mit Protonen aus dem umgebenden Wasser zu kombinieren, um Wasserstoffgas zu erzeugen.
Die meisten aktuellen Systeme sind jedoch während des Produktionsprozesses auf fossile Brennstoffe angewiesen oder verfügen nicht über eine effiziente Möglichkeit, Elektronen zu übertragen.
„Die Art und Weise, wie Wasserstoffkraftstoff jetzt hergestellt wird, macht ihn praktisch zu einem fossilen Brennstoff“, sagt Bren. „Wir wollen in einer lichtgetriebenen Reaktion Wasserstoff aus Wasser gewinnen, um einen wirklich sauberen Brennstoff zu haben – und das auf eine Weise, die uns dabei keine fossilen Brennstoffe einbringt.“
Rochesters einzigartiges System
Die Gruppe von Krauss und Bren arbeitet seit etwa einem Jahrzehnt an der Entwicklung eines effizienten Systems, das künstliche Photosynthese nutzt und Halbleiter-Nanokristalle als Lichtabsorber und Katalysatoren nutzt.
Eine Herausforderung für die Forscher bestand darin, eine Elektronenquelle zu finden und die Elektronen effizient vom Elektronendonor auf die Nanokristalle zu übertragen. Andere Systeme verwendeten Ascorbinsäure, allgemein bekannt als Vitamin C, um Elektronen an das System zurückzugeben. Vitamin C mag zwar günstig erscheinen, „man braucht aber eine nahezu kostenlose Elektronenquelle, sonst wird das System zu teuer“, sagt Krauss.
In ihrer Arbeit berichten Krauss und Bren über einen unwahrscheinlichen Elektronenspender: Bakterien. Das haben sie herausgefunden Shewanella oneidensisBakterien, die erstmals aus dem Lake Oneida im Bundesstaat New York gesammelt wurden, bieten eine praktisch kostenlose und dennoch effiziente Möglichkeit, ihrem System Elektronen zuzuführen.
Während andere Labore Nanostrukturen und Bakterien kombiniert haben, „bemühen sich all diese Bemühungen darum, den Nanokristallen Elektronen zu entziehen und sie in die Bakterien zu übertragen, um dann die bakterielle Maschinerie zur Herstellung von Treibstoffen zu nutzen“, sagt Bren. „Soweit wir wissen, ist unser Fall der erste, der den umgekehrten Weg geht und die Bakterien als Elektronenquelle für einen Nanokristall-Katalysator nutzt.“
Wenn Bakterien unter anaeroben Bedingungen – Bedingungen ohne Sauerstoff – wachsen, veratmen sie Zellsubstanzen als Brennstoff und setzen dabei Elektronen frei. Shewanella oneidensis kann durch seinen eigenen internen Stoffwechsel erzeugte Elektronen aufnehmen und an den externen Katalysator abgeben.
Ein Treibstoff der Zukunft
Bren geht davon aus, dass einzelne Häuser in Zukunft möglicherweise über Bottiche und unterirdische Tanks verfügen könnten, um die Kraft der Sonne zu nutzen und kleine Mengen Wasserstoff zu produzieren und zu speichern, sodass die Menschen ihre Häuser und Autos mit kostengünstigem, sauber verbrennendem Kraftstoff betreiben können. Bren weist darauf hin, dass es derzeit Züge, Busse und Autos gibt, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden, aber fast der gesamte Wasserstoff, der für den Antrieb dieser Systeme zur Verfügung steht, stammt aus fossilen Brennstoffen.
„Die Technologie ist da draußen“, sagt sie, „aber solange der Wasserstoff nicht in einer lichtgetriebenen Reaktion aus Wasser gewonnen wird – ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe –, hilft sie der Umwelt nicht wirklich.“
