Fotosynthese – ein etwas sperriger Begriff, der vielen von uns noch aus der Schule bekannt ist. Es ist der Prozess, bei dem grüne Pflanzen (und auch einige Bakterien) mittels Chlorophyll Sonnenlicht einfangen und dessen Energie nutzen, um CO₂ in energiereiche Zuckermoleküle umzuwandeln, wobei sie Sauerstoff freisetzen.
Dieser Vorgang ist die Grundlage nahezu des gesamten Lebens, denn alle Organismen, die selber keine Fotosynthese betreiben können, also Tiere und Menschen, sind auf die produzierten Kohlehydrate und den Sauerstoff angewiesen. Indem sie die Kohlehydrate mittels Sauerstoff «verbrennen», nutzen sie die darin gespeicherte Energie. Dabei wird wieder CO₂ freigesetzt – der symbiotische Kreislauf schliesst sich.
Die natürliche Fotosynthese wäre daher ein Vorbild dafür, wie wir umweltfreundliche, nämlich klimaneutrale Treibstoffe, sogenannte Solartreibstoffe produzieren könnten. Beispiele dafür sind Wasserstoff, Methanol oder synthetisches Benzin. Wenn diese Treibstoffe verbrannt werden, wird nur so viel CO₂ frei, wie bei ihrer Produktion gebunden wurde – sie wären damit klima- oder genauer CO₂-neutral.
Die Fotosynthese ist jedoch ein komplexer Vorgang, und die Herstellung von Brennstoffen aus Sonnenenergie mittels künstlicher Fotosynthese gilt als eine der anspruchsvollsten Aufgaben der Chemie. Bisher wurde trotz intensiver Bemühungen noch keine praktikable Methode gefunden. Ein Hindernis hat sich dabei als besonders hartnäckig: die gleichzeitige Speicherung mehrerer Elektronen in einem Molekül.
Einem Forschungsteam der Universität Basel ist nun ein wichtiger Schritt hin zur künstlichen Fotosynthese gelungen: Die Chemiker, die ihre Forschungsergebnisse im Fachmagazin Nature Chemistry veröffentlichten, haben ein neues Molekül entwickelt, das zwei positive und zwei negative Ladungen gleichzeitig speichern kann.
Es besteht aus fünf Teilen, die in einer Reihe verknüpft sind und unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Zwei von ihnen auf der einen Seite geben Elektronen ab und werden dadurch positiv geladen. Zwei weitere auf der anderen Seite nehmen die Elektronen auf und erhalten so eine negative Ladung. Der mittlere Teil absorbiert Sonnenlicht und löst den Transfer der Elektronen aus.
Trifft ein erster Lichtstrahl auf diesen mittleren Baustein, entstehen eine positive und eine negative Ladung, die jeweils an die Enden des Moleküls wandern und dort – getrennt voneinander – bleiben. Dieser Vorgang wiederholt sich beim zweiten Lichtstrahl. Das Molekül kann somit insgesamt vier Ladungen speichern, wie eine winzige Solarbatterie.
«Diese schrittweise Anregung erlaubt es, deutlich schwächeres Licht zu nutzen. Wir bewegen uns damit schon in der Nähe der Stärke von Sonnenlicht», erklärt Mathis Brändlin, der als Doktorand an der Studie beteiligt war, in einer Mitteilung der Universität. In früheren Forschungsarbeiten wurde extrem starkes Licht verwendet, was weit von den Verhältnissen bei natürlicher Fotosynthese entfernt war. «Ausserdem bleiben die Ladungen im Molekül lange genug stabil, um sie für weitere chemische Reaktionen zu nutzen», fügt Brändlin an.
Die Forscher betonen, dass sie mit dem neuen Molekül noch kein funktionierendes künstliches Fotosynthese-System geschaffen haben. «Aber wir haben ein wichtiges Puzzleteil identifiziert und realisiert», stellt Studienautor Oliver Wenger, Chemieprofessor an der Universität Basel, fest. Die Erkenntnisse aus der neuen Studie würden dazu beitragen, die Elektronentransfers besser zu verstehen, die für die künstliche Fotosynthese zentral seien. «Wir hoffen, damit zu neuen Perspektiven für eine nachhaltige Energiezukunft beizutragen», erklärt Wenger. (dhr)
